плазменные технологии в микроэлектронике. часть 1. плазмохимическое травление материалов электронной

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Часть 1

Плазмохимическое травление материалов электронной техники

Учебно-методическое пособие для вузов

Воронеж Издательский дом ВГУ

2014

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

2

Утверждено научно-методическим советом физического факультета 24 ап-реля 2014 г., протокол № 4 Составители: Л.Н. Владимирова, Ю.И. Дикарев, В.М. Рубинштейн, В.И. Петраков Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Терехов Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики полупро-водников и микроэлектроники физического факультета Воронежского го-сударственного университета. Рекомендуется для студентов 3-го курса дневного отделения физического факультета, обучающихся по программе подготовки бакалавров. Для направлений: 210100 – Электроника и микроэлектроника, 011800 – Ра-диофизика (профиль подготовки – Микроэлектроника и полупроводнико-вые приборы)


3

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ................................................................................................................. 4 1. Теоретическая часть .......................................................................................... 5

1.1. Низкотемпературная газоразрядная плазма: определения, термины ................................................................................................... 5

1.1.1. Классификация процессов плазменного травления .................. 5 1.1.2. Элементарные процессы в низкотемпературной плазме .......... 9 1.1.3. Механизм генерации и роль химически активных частиц в плазмохимическом травлении ................................................ 11

1.2. Кинетика химических процессов «твердое тело – газ» ................... 15 1.2.1. Зависимость скорости травления от температуры .................. 17 1.2.2. Технологические факторы, влияющие на скорость травления материалов ................................................................ 18

2. Экспериментальная часть ............................................................................... 23 2.1. Экспериментальная установка ........................................................... 23 2.2. Методика выполнения работы ........................................................... 24

Контрольные вопросы ........................................................................................ 26 Литература ........................................................................................................... 27


4

ВВЕДЕНИЕ Прогресс в развитии микро- и наноэлектроники во многом зависит от

уровня развития и совершенствования методов размерного травления схем-ных элементов с субмикронными размерами, поскольку в производстве по-лупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС) ведущая роль принадлежит планарной технологии, которая способна, наряду с высо-кой производительностью, обеспечить значительный процент выхода год-ных изделий.

Традиционная кремниевая технология изготовления изделий электрон-ной техники базируется на так называемых «сухих» способах плазменного травления кремнийсодержащих материалов и очистки поверхности полупро-водниковых подложек. Интенсивное развитие этих технологических методов берет свое начало в 70–80-х годах прошлого века. Именно в этот период стали бурно развиваться исследования в данной области, результатом которых стало внедрение плазменных способов травления фоторезиста, базового полупро-водника – кремния и кремнийсодержащих соединений.

Плазменные методы в технологии микроэлектроники появились в ка-честве альтернативы жидкостным способам обработки материалов по при-чине невозможности последних обеспечить целый ряд определяющих па-раметров травления. Прежде всего, жидкостное травление по сути своей изотропно, т.е. оно не может реализовать травление материала с высокой степенью анизотропии. Показатель анизотропии стал, по сути, параметром, определяющим переход к плазменным способам травления наряду с начи-навшими в тот момент выходить на одно из важных мест экологическими проблемами, связанными с эксплуатацией огромных количеств жидкостных реагентов.

Следует отметить, что внедрение «сухих» способов обработки мате-риалов зачастую опережало исследования в этой области, причем показан-ная принципиальная возможность анизотропного плазменного травления еще не позволяла выявить, описать и с максимальной эффективностью ис-пользовать механизм процессов, иногда уже быстро внедренных в техноло-гию. Все это тормозило расширение технологических приложений таких методов, к тому же выявлялись определенные специфические трудности, свойственные именно плазменным способам воздействия на материалы электронной техники (ЭТ). В частности, выявились трудности в диагности-ке процесса, сложности в определении момента его окончания и влияния примесей в газовой и твердой фазе на гетерогенный процесс «низкотемпе-ратурная плазма – твердофазная подложка».

Тем не менее, уже сегодня ясно, что без плазменных технологий не-возможно было бы триумфальное продвижение планарной технологии с ус-


5

коренным обновлением целого ряда поколений электронных устройств с различной степенью интеграции схемных элементов.

Спектр плазменных технологий широк, в данной работе будут всесто-ронне рассмотрены лишь некоторые особенности плазмохимического спо-соба обработки материалов ЭТ, который исторически стал первым наиболее исследованным плазменным методом.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Низкотемпературная газоразрядная плазма:

определения, термины

1.1.1 Классификация процессов плазменного травления Плазма – состояние вещества, характеризующееся высокой степенью

ионизации и равенством концентраций положительных и отрицательных зарядов (квазинейтральностью).

Плазма – это, прежде всего, ионизированный газ, но ионизированный до такой степени, что электрические силы притяжения между разноименно заряженными частицами уравновешиваются в нем силами отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Следовательно, независимо от плотности газа и его степени иониза-ции плазменный газовый объем остается электронейтральным. Условие электронейтральности плазмы можно записать в виде

эn

uu nnZ '=∑ ,

где иn – концентрация ионов и эn – концентрация электронов, усреднен-ные по времени и пространству, а Zи – заряд иона в плазме.

Сам термин «плазма» заимствован из биологии. Это заимствование произвели в 1923 году американские ученые И. Ленгмюр и Л. Тонкс с це-лью выделить, обозначить четвертое состояние вещества (от греческого πλάσμα – «вылепленное», «оформленное»). Учтем, что каждое вещество в определенных интервалах температур находится в соответствующих этим интервалам температур состояниях.

Плазма в стационарном состоянии может существовать только при наличии факторов, восполняющих убыль заряженных частиц.

Плазма в общем случае состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц – атомов и/или молекул (радикалов), находящихся как в основном, так и в возбужденных (вращательных, колебательных, электронных) со-стояниях. Концентрация заряженных частиц в плазме достигает 1017 см–3 и


6

по своей электропроводности плазма приближается к проводникам. Плазму нельзя представлять как механическую смесь компонентов – все частицы плазмы находятся в непрерывном взаимодействии друг с другом, и плазма в целом обладает рядом специфических свойств, которые вовсе не присущи отдельным ее составляющим. Различают изотермическую и неизотермиче-скую плазму.

Изотермической плазме отвечает ионизированный газ при высокой температуре, когда энергии (температуры) всех составляющих плазму час-тиц равны (Te ≈ Ti ≈ Tg) и все процессы обмена являются равновесными.

Неизотермическая плазма характеризуется тем, что средняя энергия (температура) электронов во много раз превышает энергию ионов и ней-тральных частиц (Te >> Ti ≈ Tg), такое состояние реализуется при относи-тельно небольшом выделении джоулевой теплоты за счет высокой теплоем-кости газа тяжелых частиц и быстрого уноса теплоты из зоны разряда.

Низкотемпературная неравновесная газоразрядная плазма (ННГП) представляет собой слабоионизованный газ при давлениях 10–1–103 Па со степенью ионизации 10–5–10–3. Средняя энергия электронов в нем составля-ет 1–10 эВ (концентрация электронов 109 – 1012 см–3), а средняя энергия тя-желых частиц (атомов, молекул и ионов) в среднем на два порядка ниже.

Использование ННГП в практических целях сосредоточено, в основ-ном, в секторе производства изделий электронной техники, где плазменные технологии работают в трех основных направлениях:

Плазменное травление и очистка поверхности. Типичными пред-ставителями этой группы процессов являются травление фоторезиста в ки-слородной плазме и травление металлов и полупроводников в плазме гало-генсодержащих газов. В качестве последних наиболее широко используют-ся фтор- и хлорсодержащие соединения.

Плазменная модификация поверхности. Этот процесс позволяет вносить локальные изменения в свойства обрабатываемой поверхности (гидрофильность, адгезионные характеристики, химический состав и т.д.) при сохранении неизменными объемных свойств. Основными объектами здесь служат полимерные материалы (полиимид, полиэтилен), а в качестве плазмообразующих сред используются Ar, O2, NO, NH3, их смеси и воздух.

Плазменное осаждение покрытий, включая плазменное напыление и стимулированное плазмой осаждение из газовой фазы. Тонкие пленки металлов, используемые в качестве функциональных слоев и межэлемент-ных соединений в ИМС, получают в процессах распыления в среде инерт-ных газов в диодных, триодных и магнетронных системах. При использова-нии в качестве плазмообразующего газа кремнийсодержащих соединений (например, SiCl4 и SiH4) возможно осаждение поликристаллического крем-ния, а с добавками кислорода, оксида азота, аммиака и углеводородов (ме-тан, этилен) – осаждение SiO2, Si3N4 и SiC. Плазма в среде углеводородов


7

обеспечивает процессы плазменной полимеризации, позволяя получать кремний- и металлсодержащие полимеры с уникальными свойствами.

Вполне понятный интерес к процессам плазменного травления стиму-лировал исследования в этой области, причем было показано, что на плазмо-химические процессы нельзя автоматически переносить общекинетические представления, в первую очередь – положения теории Аррениуса. Необхо-димо помнить, что мы имеем дело с неизотермической системой частиц, ква-зинейтральной (равенство нулю полного заряда), в которой активация хими-чески активных компонентов осуществляется электронным ударом.

Низкотемпературная газоразрядная плазма может служить одновре-менно и источником участвующих в процессе частиц, и стимулятором про-цесса, и активатором поверхности, а может использоваться только для ка-кой-то одной из этих целей.

По физико-химическому механизму взаимодействия поверхности твердого тела с частицами плазмы можно условно разделить все процессы «сухого» травления на три группы.

Ионное травление (ИТ). Удаление поверхностных слоев материала здесь осуществляется лишь физическим распылением. Распыление ведется с помощью энергетических (0,1÷2 кэВ) ионов газа. При этом химическая природа газа не играет никакой роли. Обычно это газы, химически совер-шенно не реагирующие с поверхностью (например, аргон).

Если обрабатываемый материал находится в непосредственном кон-такте с плазмой (т.е. плазма – источник ионов и среда протекания процес-са), то такое травление мы назовем ионно-плазменным (ИПТ).

Если зона протекания процесса отделена от зоны генерации ионов, т.е. поверхность обрабатываемого материала не контактирует с плазмой, то такое травление называется ионно-лучевым (ИЛТ). В этом случае мы имеем дело с потоком ионов, т.е. с ионным пучком, направленным к поверхности.

Ясно, что при ИПТ на поверхность материалов воздействуют элек-троны, нейтральные частицы, излучения плазмы, а при ИЛТ – лишь излуче-ния плазмы. Тем не менее, в целом воздействие всех факторов ИПТ слиш-ком мало, пренебрежимо мало в сравнении с действием высокоэнергетич-ных ионов. При ИЛТ имеет место направленное движение ионов по отно-шению к поверхности.

Плазменное (плазмохимическое) травление (ПТ – ПХТ). Эта груп-па процессов по своему механизму воздействия на поверхность противопо-ложна процессам сугубо ионного травления. Здесь мы имеем дело с процес-сами, в основе которых лежит чисто химическое взаимодействие поверхно-стных слоев материала с химически активными частицами, генерируемыми в плазме, сопровождающееся образованием летучих продуктов реакции, их десорбцией и удалением из зоны процесса. В этом случае плазма играет роль генератора химически активных частиц (ХАЧ). Химически активные


8

частицы – это свободные атомы и радикалы, т.е. это наиболее агрессивная (из-за наличия у ХАЧ неспаренного электрона) часть плазмы, ответственная за протекание химических реакций. Эти частицы образуются в результате низкоэнергетической электронной и ионной бомбардировки, а также воз-действия излучения.

Отметим также два возможных случая осуществления ПТ, приводя-щих к наличию двух его разновидностей.

Если подвергаемая травлению поверхность находится в контакте с плазмой, то мы имеем дело непосредственно с плазмохимическим травле-нием (ПХТ). В этом случае нельзя сбрасывать со счета влияние бомбарди-рующих поверхность электронов, излучения, частиц, непосредственно не участвующих в процессе травления.

В случае разделения реакционного пространства и объема, в котором генерируются ХАЧ, мы имеем дело с радикальным травление (РТ). При этом происходит сепарация, экстрагирование из разряда радикалов и сво-бодных атомов, которые мы ранее объединили в понятие ХАЧ. Радикальное травление протекает интенсивно без стимуляции излучением или бомбар-дировкой электронами или ионами, этот процесс зачастую происходит спонтанно.

Реактивное ионное и ионно-химическое травление (РИТ и ИХТ). Это промежуточный случай между чисто физическим распылением и чисто химическим взаимодействием. В таких процессах атомные слои удаляются с поверхности вследствие суперпозиции физического и химического факто-ров воздействия.

Процесс травления здесь можно рассматривать как физическое рас-пыление с одновременным протеканием химических реакций между ХАЧ и атомами поверхности.

Можно определить его и как процесс химического взаимодействия ХАЧ с поверхностными слоями при одновременном физическом распыле-нии этих слоев.

Наиболее распространенной разновидностью данного типа травления является реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ) – сложный про-цесс, при котором материал подложки погружен в плазму, его поверхность подвергается воздействию энергетических ионов, свободных атомов и ра-дикалов, электронов и излучения. В таком случае, варьируя те или иные технологические параметры, мы можем ускорять или замедлять процесс физического распыления, можем делать его вклад большим или меньшим.

Возможно ускорение или замедление самих химических реакций, ко-торые, в частности, могут активироваться бомбардировкой ионами или из-лучением.

Отметим, что в случае отсутствия контакта поверхности образца с плазмой мы имеем реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ). Здесь на-


9

ряду с физическим распылением ионами имеет место и образование в та-кой плазме ХАЧ, которые чисто химически воздействуют на поверхность. Сами химические реакции на поверхности могут как ускорять, так и замед-лять процесс физического распыления.

Из трех охарактеризованных групп процессы плазмохимического и реактивного ионно-плазменного травления осуществляются в плазме хими-чески активных газов, а значит, на поверхность в этом случае воздействует одинаковый набор частиц: ионы, электроны, радикалы, свободные атомы, а также присутствует излучение.

Поэтому важно уметь различать эти процессы. Граница между ними должна лежать в области, где физическое распыление способно сыграть за-метную роль. Условно в качестве критерия отнесенности процесса к ПХТ или к РИПТ используют величину энергии бомбардирующих ионов. Приня-то процессы с Еи < 100 эВ относить к ПХТ, а с Еи > 100эВ – к РИПТ, в этом случае физическим распылением уже пренебречь нельзя.

Хотя рассмотренная нами классификация процессов травления в плазме и является общей – возможны какие-то разновидности, особенно в части стимулирования либо физических, либо химических процессов, – но в целом эта классификация свидетельствует о соотношении химического и физического факторов в процессе травления, а также о вкладе этих факто-ров в данный процесс.

1.1.2 Элементарные процессы в низкотемпературной плазме Процессы, протекающие в плазме, определяют дальнейший ход взаи-

модействия продуктов газоразрядных процессов с поверхностью. Следует отметить, что обмен энергией, т.е. передача энергии от элек-

тронного газа тяжелым частицам, происходит путем столкновений, которые мы разделим на два вида – упругие и неупругие.

Упругие столкновения – это столкновения частиц, приводящие лишь к обмену энергией и изменению траектории движения электрона. При упру-гих столкновениях электрон теряет лишь небольшую часть энергии, т.к. разница в массах электрона и молекулы велика. В результате такого столк-новения электрон продолжает движение, приобретая энергию от поля и, на-конец, достигает некоей пороговой энергии, достаточной для осуществле-ния неупругого столкновения или столкновения, приводящего к возбужде-нию, диссоциации или ионизации молекулы. Такое столкновение характе-ризуется глубокими качественными изменениями в энергетическом состоя-нии тяжелой столкнувшейся частицы.

Однако, несмотря на огромное значение неупругих столкновений и несомненное их определяющее воздействие на направление протекающих


10

процессов, следует помнить, что именно последовательность упругих столкновений приводит к накоплению энергии электроном.

Основными видами неупругих столкновений являются процессы воз-буждения, ионизации и диссоциации. Продуктами протекания таких про-цессов являются возбужденная молекула, ион, свободный атом или радикал.

В принципе, любая из этих частиц в плазме может, появившись, при-нять участие в чисто химическом взаимодействии с атомами поверхности. За такой первичной реакцией могут последовать и вторичные реакции, при-чем, как мы уже знаем, продукты взаимодействия одной из таких реакций имеют большую вероятность быть израсходованными в другой реакцион-ной стадии. Таким образом, исследование механизма протекания плазмо-химической реакции усложняется многократно.

Рассмотрим некоторые группы типичных процессов, протекающих в газовом разряде.

I. Столкновение электрона с нейтральной молекулой. 1. Электронное возбуждение e + N → N* + e. При столкновении электрона с нейтральной молекулой возможны так-

же переходы между колебательными и вращательными уровнями молекулы. 2. Прилипание e + N → (N–)* + e. 3. Ионизация: e + N → N+ + 2e (из основного состояния); e + N* → N+ + 2e

(из возбужденного состояния). II. Столкновение электрона с ионом. 1. Рекомбинация e + N+ → N*. 2. Образование многозарядного иона e + N* → N+2 + 2e. 3. Возникновение тормозного излучения e + N+ → e + N+ + hγ. III. Столкновение иона с нейтральной частицей. 1. Перезарядка: Na

+ + Nb → Nb+ + Na (для частиц с равными потенциа-

лами); AB+ + Ra → AC + Rb+ (с передачей атома, возможны аналогичные

процессы с передачей возбуждения). 2. Отлипание Na

+ + Nb → Na + Nb + e. IV. Столкновение положительных и отрицательных ионов. 1. Рекомбинация Na

+ + Nb– → (Nc)*.

V. Столкновение двух нейтральных частиц. 1. Рекомбинация Ra + Rb → AR* → ARc + hγ (фоторекомбинация). 2. Передача или обмен атомами ARa + Rb → ARc + Rd. Возможны также переходы между вращательными и колебательными

уровнями молекул, тушение возбужденного состояния. 3. Передача возбужденного состояния Na* + Nb → Na + Nb

*. VI. Столкновение тяжелых частиц с фотоном. 1. Фоторазрушение отрицательного иона N– + hγ → N + e. 2. Возбуждение N + hγ → N*. 3. Диссоциация AR + hγ → Ra + Rb.


11

4. Ионизация N* + hγ → N+ + e. 5. Индуцирование излучения N* + hγ → N + 2 hγ. VIII. Гетерогенные процессы на поверхности. 1. Стабилизация N* → N. 2. Рекомбинация Ra + Rb → AR. 3. Химическое взаимодействие R → AпR. 4. Распыление N+ → N+ + Ап. 5. Ионизация у поверхности R → R+. 6. Вторичная электронная эмиссия N+ → N+ + e. 7. Внешний фотоэффект: e → 2e; hγ → e. Многообразие процессов в плазме не исчерпывается протеканием

именно рассмотренных групп взаимодействий. К тому же энергетический спектр этих процессов широк, а порой разница в энергетических барьерах того или иного типа взаимодействий очень мала, в плазме возможно проте-кание параллельных процессов.

1.1.3. Механизм генерации и роль химически активных частиц

в плазмохимическом травлении В основе процессов плазмохимического травления лежат гетероген-

ные химические реакции, происходящие на границе двух фаз - твердой и газообразной – между ХАЧ (свободными атомами и радикалами), обра-зующимися при диссоциации молекул рабочего газа в ННГП газовых раз-рядов, и активными центрами обрабатываемого материала, представляю-щими собой поверхностные атомы со свободными валентностями.

В результате реакций образуются стабильные, летучие при темпера-туре процесса продукты реакции, которые десорбируются с обрабатывае-мой поверхности, переходят в газовую фазу и откачиваются вакуумным на-сосом.

Процессы ПХТ материалов являются гетерогенными и многоста-дийными. После доставки молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда происходит их превращение в энергетические и химически актив-ные частицы.

В механизме гетерогенного процесса травления можно выделить сле-дующие стадии: 1) доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала; 2) адсорбция их на поверхности; 3) само химическое взаимодействие; 4) десорбция; 5) отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.

Скорость гетерогенных многостадийных процессов определяется ско-ростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии.

Важным вопросом при ПХТ материалов является влияние состава ра-бочего (плазмообразующего, реакционного) газа на процесс травления. Не-


12

обходимость травления широкого ассортимента материалов, применяемых в микроэлектронике, вызвала появление большого количества разнообраз-ных по составу рабочих газов – как однокомпонентных, так и многокомпо-нентных (обычно число компонентов рабочего газа не превышает трех, на-пример CF4 + CCI4 + О2).

Рабочие газы должны соответствовать следующим основным требо-ваниям:

1) быть нетоксичными, невзрывоопасными соединениями; 2) при разложении их в разряде давать максимальный выход энерге-

тических и химически активных частиц, которые при взаимодействии с об-рабатываемыми материалами образуют летучие стабильные (или легко рас-пыляемые) соединения;

3) не вызывать коррозии и загрязнения внутрикамерных устройств и откачных магистралей:

4) не обладать сильным деградирующим действием на масла вакуум-ных насосов;

5) не образовывать с обрабатываемым материалом токсичных или взрывоопасных соединений, которые могут угрожать жизни и здоровью об-служивающего персонала.

Выполнение этих требований исключает из списка рабочих газов фтор, хлор, бром, плавиковую кислоту и другие токсичные вещества. В ос-новном для ПХТ материалов используются галогенсодержащие углеводоро-ды, а также их смеси с кислородом, водородом, парами воды, азотом или инертными газами.

Молекулы рабочего газа в результате неупругих столкновений с элек-тронами плазмы диссоциируют и превращаются в высокореакционноспо-собные радикалы. При разложении в плазме SF6 возможно протекание сле-дующих процессов:

SF6 + e → SF5 + + F− + e,

SF6 + e → SF5 • + F• + e.

Диссоциация молекул рабочего газа электронным ударом определяет

скорость генерации энергетических и химически активных частиц в плазме. Необходимым условием травления материала ХАЧ является возмож-

ность образования продуктов реакции, летучих и стабильных при темпера-туре процесса Тпр (температура поверхности материала в процессе травле-ния). Термин «летучий» означает, что при температуре процесса Тпр давле-ние паров образующихся продуктов реакции должно быть достаточно вы-соко, чтобы эти продукты испарялась с поверхности материала.

Стадии взаимодействия ХАЧ с активными центрами материала пред-шествует хемосорбция ХАЧ на активных центрах, а после химической ре-акции происходит десорбция образующихся продуктов реакции.


13

На примере свободных атомов фтора F* и активных центров монокри-сталлического кремния R≡Si* процесс травления можно представить в виде

R≡Si* + F* → R≡Si−F,

где R – решетка монокристалла кремния; черточками обозначены кова-лентные двухэлектронные связи.

Процесс, в котором осуществляется хемосорбция атома фтора на ак-тивном центре монокристалла кремния с объединением неспаренных элек-тронов в прочную ковалентную связь, является основополагающим при травлении кремния. Связь атома кремния с решеткой ослабевает из-за вы-сокой электроотрицательности фтора, который оттягивает на себя элек-тронное облако атома кремния. Индукционный эффект приводит к смеще-нию в этом же направлении электронных облаков атома кремния в его свя-зях с решеткой, что уменьшает их перекрытие с электронными облаками атомов решетки и, следовательно, ослабляет связи.

Последующие атомы фтора легко превращают такой ослабленный атом в летучее соединение. При протекании процессов образуются новые ак-тивные центры на поверхности кремния, которые, в свою очередь, вступают в реакцию с атомами фтора по представленной выше схеме. Таким образом, осуществляется «цепная реакция» травления кремния атомами фтора.

Суммарная же химическая реакция травления кремния атомами фтора обычно записывается как

Si + 4F* → ↑SiF4,

но она не отражает особенностей механизма травления.

Необходимым условием протекания процесса плазмохимического травления является образование летучих продуктов реакции, т.е. летучих при данной Тпр. Термин «летучий» означает: имеющий довольно высокое давление паров, т.е. переходящий в газовую фазу в процессе травления.

Сравнение Тпроц и Тиспар или Ткип продуктов реакции дает возможность рассмотреть три основных случая.

1. Тпроц << Ткип (испар). Травление для такого случая невозможно, т.к. в процессе плазменного травления на поверхности образуются маскирующие материал нелетучие соединения. Такое положение характерно для фторидов большинства металлов (Al, Cr, Cu, Mg, Pb и др.). Их травление в ПХ-системах невозможно (для этих металлов Ткип > 1000 °C, например для Ткип AlF3 = 1256 °C). Удалить такие нелетучие фториды можно лишь в сис-темах ИХТ, т.е. где возможна бомбардировка поверхности энергетическими ионами. И если коэффициент распыления продуктов больше коэффициента распыления исходного материала, то будет протекать травление.

2. Тпроц >> Ткип (испар). Травление материала в любых системах ПТ про-текает за счет химического взаимодействия частиц плазмы с материалом.


14

Для этого случая наблюдаются высокие скорости травления, причем трав-ление протекает в диффузионной области. Для таких процессов температу-ра не играет большой роли, и даже дополнительная бомбардировка поверх-ности не повышает эффективность процесса, т.к. она не влияет на процесс доставки реагентов к поверхности и отвода от нее продуктов реакции.

3. Тпроц ≈ Ткип (испар). Травление в этом случае возможно, протекает, как правило, в кинетической области, т.е. лимитируется скоростью химической реакции. На эти процессы оказывает влияние температура процесса и ион-ная бомбардировка. Невозможно в этом случае травление материалов, обра-зующих нестабильные продукты реакции. Такие материалы травят обяза-тельно в системах с ионным распылением.

Предварительное рассмотрение вероятности протекания процесса требует анализа не только двухкомпонентных продуктов реакции, но и трехкомпонентных. Например, галогениды хрома нелетучи (Ткип > 1000 °C), однако оксихлорид хрома CrO2Cl2 уже летуч: его Ткип = 118 °C. Следова-тельно, травление этого металла следует вести в смеси хлорсодержащего газа и кислорода, причем оптимальное соотношение их в смеси должно со-ответствовать их соотношению в оксихлориде.

Если при разложении рабочего газа в камере не образуются нелетучие частицы, то эффективность удаления материала, т.е. скорость удаления, бу-дет тем выше, чем ниже температура кипения продуктов реакции.

Если же при разложении газа велика вероятность образования лету-чих и нелетучих (например, углерод) частиц, то скорость травления будет зависеть от соотношения числа таких частиц. Классическим примером в этом случае является соотношение F/С в молекулах фторсодержащих угле-водородов. С уменьшением этого соотношения падает скорость травления кремнийсодержащих соединений.

Однако одновременно может возрастать селективность травления ки-слородсодержащих соединений (SiO2) относительно кремния. В целом уменьшение отношения F/С способствует тому, что ненасыщенные фторуг-леродные остатки способны полимеризоваться.

Любой анализ вероятного процесса травления начинается с рассмот-рения основной, базовой реакции в системе, например:

Si + 4F* → ↑SiF4,

SiO2 + 4F* → ↑SiF4 + ↑O2.

Немаловажно и то, что в реакторах могут протекать параллельные процессы. В частности, травление кремния и его диоксида может протекать одновременно с процессом полимеризации и осаждения различных пленок. Именно конкуренцией этих процессов обусловлен результирующий про-цесс. Если считать ответственными за протекание основного процесса трав-


15

ления атомы фтора, то за процессы осаждения ответственны водородсодер-жащие соединений, способствующие полимеризационным процессам.

На скорость и селективность плазмохимического травления влияет и пусть незначительная ионная бомбардировка. При этом роль бомбардиров-ки повышается для тех процессов, где велика вероятность осаждения орга-нических пленок на поверхности материалов, т.е. где мало отношение F/С.

Состав газа влияет не только на скорость и селективность, но и на анизотропию. Причем при прочих равных условиях даже низкоэнергетиче-ские потоки электронов, ионов из плазмы, падающие перпендикулярно к поверхности, ускоряют десорбционные процессы и способствуют росту нормальной составляющей скорости.

Следует учесть, что травление, например кремния, может осуществ-ляться как в хлор-, так и во фторсодержащих газах. Но степень анизотропии в этих газах различна. Здесь играют свою роль размеры атомов фтора и хлора: DCl = 0,176 нм, DF = 0,106 нм.

Сравнительно большие по размерам атомы хлора сорбируются на свободных связях поверхностных атомов кремния, образуя довольно боль-шие молекулы SiCl2, которые самостоятельно не в состоянии покинуть по-верхность кремния. Делают они это с помощью электронной и ионной бом-бардировки.

В то же время более мобильные атомы фтора не только в состоянии воздействовать на связь Si–Si даже через слой хемосорбированных фраг-ментов SiF2, эти фрагменты наряду с SiF4 в состоянии самостоятельно де-сорбироваться с поверхности кремния.

Травление в хлорсодержащих газах вследствие этого протекает с бо-лее высокой анизотропией, но скорость здесь значительно меньше, чем во фторсодержащих газах. Увеличение степени анизотропии возможно на пути увеличения числа атомов хлора в молекуле газа и усиления ионной бомбар-дировки.

В некоторых случаях для травления используют многокомпонентные смеси, каждый из компонентов которых выполняет свою функцию.

1.2. Кинетика химических процессов «твердое тело – газ»

Кинетика химических и плазмохимических процессов изучает меха-

низм и закономерности протекания таких процессов во времени. Рассмот-рим элементарный химический процесс взаимодействия двух веществ:

А + В → (M + N) → … → С + Д.

Начальные вещества, принимающие участие в таком взаимодействии,

называются исходными веществами (А + В).


16

Вещества, которые образуются в результате реакции, называются ко-нечными продуктами (С + Д).

Но валовое уравнение реакции не дает никакой информации о меха-низме протекания этого процесса. На практике все химические реакции проходят через ряд промежуточных стадий. А вещества, образующиеся на одной стадии химического взаимодействия, превращения и расходующиеся в других стадиях этого процесса, называются промежуточными вещест-вами (M + N).

Реакции, в которых образуются и расходуются промежуточные веще-ства, называются промежуточными реакциями. Иногда некоторой основ-ной химической реакции соответствует протекание до десятка промежуточ-ных реакций, а вся совокупность стадий, из которых складывается химиче-ский процесс в целом, носит название механизма химической реакции.

В конечном счете доскональное изучение механизма любого процесса взаимодействия дает возможность управлять им, извлекая конечный про-дукт с минимальными затратами.

Все химические реакции обычно разделяют на гомогенные и гетеро-генные. Химические реакции, протекающие в пределах одной фазы, называ-ются гомогенными, а протекающие на границе двух фаз – гетерогенными.

Возможны такие варианты, когда при протекании сложных химических реакций одни промежуточные стадии являются гомогенными, а другие – гете-рогенными. Такие химические реакции называются гомогенно-гетеро-генными, но это реже встречающийся случай. Примеры гомогенных реакций – реакции в растворах, в газах. Примеры гетерогенных реакций – взаимодейст-вие жидкости, газа, плазмы с твердым телом.

Важнейшей количественной характеристикой процесса химического превращения служит скорость процесса. Под скоростью реакции в целом следует понимать либо скорость возрастания концентрации продуктов ре-акции, либо скорость убывания концентрации вступающих в реакцию ве-ществ. Изменение концентрации этого компонента в единицу времени и служит мерой скорости процесса («+» относится к приросту концентрации продуктов реакции, «–» к убыли концентрации исходных веществ):

V = dtdC

± .

Но в общем случае веществ, вступающих в реакцию, может быть не-

сколько, и если учесть, что и промежуточных веществ может быть немало, то понятие скорости процесса следует конкретизировать как скорость ре-акции по конкретному компоненту.

К важнейшим факторам, влияющим на скорость гомогенной реакции, являются следующие: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие катализаторов.


17

Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ. Реакция между молекулами происходит при их столкновении. Поэтому скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Число соударений тем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ. Например, скорость реакции A + B → C пропорциональна произведению концентра-ций веществ А и В:

v = k · [A] · [B],

где k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скоро-сти реакции. По смыслу величина k равна скорости реакции для случая, когда концентрации реагирующих веществ равны единице.

Это соотношение выражает закон действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произ-ведению концентраций реагирующих веществ.

Гораздо реже реакция осуществляется в результате одновременного столкновения трех реагирующих частиц. Например, реакция

2А + В → А2В

может протекать путем тройного столкновения:

А + А + В → А2В.

Тогда в соответствии с законом действия масс концентрация каждого

из реагирующих веществ входит в выражение скорости реакции в степени, равной стехиометрическому коэффициенту в уравнении реакции:

v = k ·[A] · [A] · [B] = k · [A]2[B].

Сумма показателей степени в уравнении закона действия масс назы-

вается порядком реакции. Например, в последнем случае реакция имеет третий порядок (второй – по веществу A и первый – по веществу B).

1.2.1. Зависимость скорости травления от температуры

Известно, что в реакцию вступают не все участвующие во взаимо-

действии молекулы, а лишь некоторые из них, обладающие определенным запасом энергии.

Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, на-зывается энергией активации.

С ростом температуры число активных молекул возрастает. Следова-тельно, скорость химической реакции должна увеличиваться с ростом тем-пературы. Возрастание скорости реакции при нагревании принято характе-


18

ризовать температурным коэффициентом скорости реакции (γ) – чис-лом, показывающим, во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры на 10 градусов.

Математически эта зависимость выражается правилом Вант-Гоффа:

,

где v1 – скорость при температуре t1; v2 – скорость при температуре t2. Для боль-шинства реакций температурный коэффициент γ лежит в пределах от 2 до 4.

Более строго зависимость скорости реакции (а точнее константы ско-рости) от температуры выражается уравнением Аррениуса:

,

где A – предэкспоненциальный множитель, зависящий только от природы реагирующих веществ; Ea – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура.

Снижение по каким-либо причинам энергии активации, согласно уравнению Аррениуса, приводит к увеличению скорости реакции.

Одним из способов снижения энергии активации может служить при-менение катализатора. Катализатор – это вещество, не расходующееся в процессе протекания реакции, но увеличивающее ее скорость.

1.2.2. Технологические факторы, влияющие на скорость

травления материалов Для количественной характеристики процессов ПХТ материалов

можно воспользоваться термином скорости травления (Vтр), определяемой по толщине поверхностного слоя материала, удаляемого в единицу време-ни. Анализ работ, посвященных изучению кинетики ПХТ широкого спектра материалов, показал, что на скорость их обработки в разряде галогенсодер-жащих газов оказывают влияние следующие факторы:

1) величина подводимой к разряду мощности; 2) давление активных газов в реакционно-разрядной камере (РРК); 3) скорость потока газов через реакционное пространство; 4) температура обрабатываемых поверхностей; 5) время травления; 6) предшествующая травлению обработка поверхностей; 7) состав реакционных газов; 8) площадь обрабатываемых поверхностей; 9) физико-химические свойства обрабатываемых материалов;


19

10) условия подвода газообразных реагентов и удаления продуктов реакций;

11) способ возбуждения разряда. Подавляющее большинство работ по плазмохимическому травлению

в микроэлектронике посвящено изучению ПХТ Si и SiО2, т.е. основных ма-териалов микроэлектронной технологии, а также процессу удаления фото-резиста. В настоящей работе мы также изучим влияние ряда технологиче-ских факторов на процесс ПХТ кремния.

Однако следует отметить, что этот процесс применим и к ряду других материалов, которые образуют в плазме галогенсодержащих активных газо-вых сред легколетучие соединения, удаляемые откачкой из зоны реакции. В частности, травлению в таких средах можно подвергать тугоплавкие метал-лы, широко применяемые в технологии ИМС в последнее время.

Ниже приведены экспериментальные зависимости, полученные в на-учно-исследовательской лаборатории плазменной технологии кафедры фи-зики полупроводников и микроэлектроники ВГУ на лабораторной установ-ке, используемой для проведения практикума.

Для исследования процесса травления тугоплавких металлов исполь-зовались полированные и шлифованные пластины термокомпенсаторов си-ловых полупроводниковых приборов из молибдена и вольфрама, а также фольги вольфрама, молибдена, титана и тантала толщиной 100–120 мкм.

Для удобства проведения экспериментов и изложения материала разде-лим эти факторы на три условные группы. В первую группу включим первые четыре фактора, при помощи которых можно управлять условиями протека-ния химических реакций в процессе обработки материалов. Назовем эти фак-торы технологическими. Во вторую группу включим факторы, связанные с химическим составом реакционных газов и обрабатываемых материалов, и назовем их химическими. В третью группу объединим оставшиеся факторы.

На рис. 1 показаны характерные зависимости скоростей травления (Vтр.) тугоплавких металлов от технологических параметров процесса плаз-мохимического травления (ПХТ). Полученное увеличение Vтр Мо и W с ростом подводимой к разряду мощности (N) объясняется увеличением энер-гии электронов (Те) и такой же зависимостью сечения диссоциации молекул газов электронным ударом через возбуждение нестабильных и преддиссо-циирующих уровней. Проведенные зондовые измерения температуры элек-тронов (Те) в светящейся области разряда показали, что она почти линейно возрастала с увеличением подводимой мощности.

Важным параметром, влияющим на процесс ПТ, является давление. Обычно диапазон рабочих давлений при ПТ лежит в интервале 10–

1000 Па, хотя процессы ПТ могут проводиться и при других давлениях. Влияние давления (Р) на Vтр Мо и W (рис. lб) носит такой же харак-

тер, что и для Si. Скорость ПХТ материалов оказалась зависимой от скорости потока га-

зов (Г) через реакционное пространство при фиксированном значении Р


20

(рис. lв), такое поведение Vтр связано с продолжительностью пребывания ак-тивных частиц в РРК. При малом расходе SF6 были получены высокие значе-ния Vтр Мо и W и коэффициента использования фтора (KF). При изменении Г от 0.1 мл · с–1 значения KF снижались с (1.5–2) до (0.1–0.15). Получение вы-соких значений KF при травлении тугоплавких металлов обусловлено малым временем химического взаимодействия (~ 10–8 с) по сравнению с временем пребывания химически активных частиц (ХАЧ) в реакционном пространстве.

Рис.1. Влияние технологических факторов на скорости травления вольфрама, молибдена и титана:

материал: W (1, 5, 8, 9, 10), Мо (2, 4, 6, 7), Ti (3); газ: SF6 (1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 10), CF4 (4, 7); давление Р = (80 ± 10) Па; мощность N = (0,4 ± 0,05) кВт; поток газа Г = (0,9 ±

± 0,1) мл · с–1; обрабатываемая площадь Sм = 3 см2 (8), 20 см2 (остальные) По этой причине возможно многократное участие F• и F2 в процессах

травления, т.к. образовавшиеся продукты реакций могут диссоциировать в плазме и поставлять дополнительное количество атомарного и молекуляр-ного фтора:

WF6 → WF•

5 + F•, WF6 → W + 3F2.

Еще одним фактором, при помощи которого можно управлять усло-

виями протекания химических реакций в процессе обработки материалов, является температура обрабатываемых поверхностей (рис. lг). Энергия ак-тивации процесса травления W, определяемая по закону Аррениуса, в ис-следованных режимах составила 6–7 кДж · моль–1.


21

Столь малые значения энергии активации ПХТ вольфрама подтвержда-ют, что этот процесс почти безактивационный, а полученные значения этой величины характеризуют адсорбционно-десорбционные взаимодействия на обрабатываемой поверхности. Однако следует учитывать, что закон Аррениу-са справедлив для систем, в которых предполагается равновесное распределе-ние Максвелла – Больцмана для реагирующих частиц, да к тому же опреде-ляемая энергия активации усреднена по всем отдельным стадиям процесса, вследствие чего полученные значения правильнее называть эффективными.

Характерное влияние химического состава газовой среды в РРК на ско-рости травления тугоплавких металлов видно из сравнения кривых на рис. lа и данных, приведенных на рис. 2(а–в). Оказалось, что скорости травления иссле-дуемых материалов в разряде SF6 более чем на порядок выше, чем при травле-нии в плазме CF4. Такая же разница наблюдалась и при ПХТ кремния.

В последнем случае это объяснялось меньшей энергией разрыва связи S–F в молекуле SF6, чем связи C–F в молекуле СF4, и, следовательно, боль-шей скоростью диссоциации молекул SF6 под действием электронных уда-ров. Кроме того, при столкновении электронов с сильно электроотрица-тельными молекулами SF6 даже при комнатной температуре возможно эф-фективное диссоциативное прилипание с образованием радикалов F•. Для CF4 эта вероятность очень мала.

Рис. 2. Влияние газовых добавок к SF6 и CF4 на скорости травления W, Мо и Ti, а также площади W на скорости его травления:

материал: W (1, 2, 3, 6, 7, 8), Мо (4), Ti (5, 9); газ: SF6 (1, 2, 6, 7, 8, 9), CF4 (3, 4, 5); газо-вые добавки: Н2 (1, 2); О2 (3, 4, 5); Ar (6, 7); мощность N = (0,4 ± 0,05) кВт; давление

Р = (80 ± 10) Па; поток газа Г = (0,9 ± 0,1) мл · с–1


22

Показано, что добавление Н2 к SF6 и CF4 приводит к уменьшению Vтр. металлов. На рис. 2а это проиллюстрировано на примере травления W в смеси SF6 + Н2. Наблюдаемое снижение скоростей обработки можно объяс-нить связыванием молекул F2 и радикалов F•, образующихся в разряде, мо-лекулами Н2. Здесь водород действует как ингибитор при образовании фто-ра и приводит к уменьшению его концентрации в реакционном объеме.

Наиболее интересные результаты были получены при исследовании травления металлов в плазме SF6 или СF4 с добавлением О2. Установлено, что зависимости скорости травления W и Мо от содержания О2 в смеси но-сят такой же характер, что и для Si. Однако максимум Vтр Si получался при добавлении (5–10) % О2, а лучшим соотношением для травления W и Мо было 67 % CF4 + 33 % О2. Причем при понижении общего давления макси-мум сдвигался в сторону большего содержания О2. Совсем другое влияние оказывало добавление О2 к CF4 или SF6 на скорость травления Ti (2б). По-лученное уменьшение Vтр с увеличением содержания О2 в смеси, видимо, связано с конкуренцией процессов окисления Ti и его фторирования.

Добавка Аr к SF6 или СF4 вплоть до 50 % не оказывала заметного влияния на Vтр исследуемых материалов (рис. 2в).

Скорость ПХТ материалов оказалась зависимой от величины обраба-тываемой площади (SM) (рис. 2г), в литературе это явление получил название «эффект загрузки». Причиной возникновения загрузочного эффекта при ПХТ принято считать уменьшение концентрации ХАЧ в плазме при увеличении SM. Однако нельзя не учитывать и тот факт, что с ростом площади обработки могут значительно меняться энергетические характеристики разряда, хими-ческий состав плазмы, теплоемкость и импеданс системы, включающей в се-бя реактор, его оснастку, обрабатываемые образцы и саму плазму.

Было установлено, что скорость ПХТ незначительно отличается от способа получения материала. Так, при травлении W в плазме СF4 при дав-лении в 40 Па и мощности в 100 Вт получены следующие результаты:

монокристаллические пластины – (40,2 ± 4) нм / с; термокомпенсаторы – (40,0 ±4) нм / с; фольга – (44,2 ± 6) нм / с; пленка – (46,1 ± 8) нм / с. Наибольший разброс Vтр для пленок, видимо, связан с погрешностью

определения времени окончания травления, так как время обработки со-ставляло не более 30 секунд.

Оптимальное давление, соответствующее максимальной скорости ге-нерации ХАЧ в плазме ВЧ-разряда, будет иметь место, когда частота столк-новений электронов с атомами газа равна круговой частоте приложенного ВЧ-поля. Исходя из этого условия, Ропт. = 6 · 10–3 [λr / (Te)1|2]f, где λr – сред-няя длина свободного пробега молекул рабочего газа, отнесенная к единич-ному давлению (Па · м) и Т = 273 К; Те – температура электронов, К; f – час-тота поля, Гц.


23

Значительное влияние на скорость и равномерность ПТ оказывают условия подвода ХАЧ и удаления продуктов реакции. Для характерных размеров реакторов (диаметр порядка 200 мм) молекулярный режим тече-ния газа устанавливается при давлении р < 2,3 · 10–2 Па, а вязкостный – при р > 7,3 Па. Это означает, что в большинстве реакторов движение газа осу-ществляется в вязкостном режиме. Поэтому возникает задача такой органи-зации газовых потоков в реакторе, которая обеспечивала бы равномерную доставку активных частиц к поверхности подложек, одинаковую для всех подложек в партии. Для этого применяют равномерную распределенную подачу и откачку газа с помощью коллекторных устройств.

Установлено, что кроме отмеченных выше факторов на Vтр оказывают влияние предшествующая травлению обработка поверхностей, наличие на них примесей, условия удаления продуктов реакций. Все эти факторы необ-ходимо учитывать при оптимизации технологии.

Оборудование для плазмохимической обработки материалов делится на два основных класса. Первый – объемные системы ПХТ, второй – пла-нарные системы, в которых обрабатываемая подложка размещается на ка-тоде и процесс травления стимулируется ионной бомбардировкой.

Объемные системы ПХТ используются в основном для снятия фото-резистивной маски после выполнения ею своих функций при травлении ри-сунков в пленках материалов. В промышленном оборудовании для снятия фоторезистов применяется, как правило, групповая обработка подложек, поскольку не требуется прецизионностъ обработки. Разряд зажигается в ре-акторе при подаче ВЧ-напряжения на обкладки конденсатора или индуктор, охватывающие реактор.

Для возбуждения ВЧ-разряда в реакционно-разрядной камере устано-вок для ПХТ обычно используются два основных типа систем возбуждения разряда. Если ВЧ-напряжение подается на многовитковый индуктор, охва-тывающий камеру, то система возбуждения называется индуктивной. Большое распространение получили планарные емкостные (диодные) сис-темы. В этом случае напряжение подается на два или несколько электродов (обкладок конденсатора), между которыми создается переменное электри-ческое поле. В зависимости от конструкции реакционно-разрядной камеры (РРК) электроды могут размещаться как внутри, так и за ее пределами.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Экспериментальная установка

Принцип работы установки основан на взаимодействии газовой плаз-

мы с обрабатываемым материалом (4). Блок-схема установки для ПХТ представлена на рис. 3.


24

Рис. 3. Принципиальная схема установки плазмохимического травления кремния:

1 – кварцевый колпак РРК; 2 – трубочка подачи газа; 3 – индуктор; 4 – обрабатывае-мая пластина; 5 – водоохлаждаемый стол; 6 – уплотняющая прокладка; 7 – базовый фланец; 8 – манометр; 9 – натекатель; 10 – вакуумный вентиль; 11 – форвакуумный

насос; 12 – расходомер Плазма образуется при приложении ВЧ-напряжения к индуктору (3),

намотанному вокруг РРК. Предварительно в камере создается разрежение в 3,3 Па, затем через натекатель (9) из газового резервуара в нее подается ре-акционный газ до давления 133–13,3 Па. Реакционноспособные частицы из плазмы, взаимодействующие с обрабатываемой поверхностью материала, образуют летучие продукты реакции, которые удаляются из реакционной камеры форвакуумным насосом (11). При использовании фторсодержащих газов в плазме образуются возбужденные радикалы фтора, которые осуще-ствляют процесс травления, образуя с обрабатываемым материалом фтори-ды с низкой температурой испарения.

2.2. Методика выполнения работы

1. Подготовить 9 образцов кремния с маской из А1 и разделить их на

три группы по три образца в каждой. Перед ПХТ пластины промыть в деи-онизованной воде и осушить их батистовой салфеткой.

2. По заданию руководителя работы провести травление каждой группы образцов в разряде SF6 в течение 3 мин при одинаковом давлении и различной подводимой мощности и при одинаковой подводимой мощности и различном давлении. Значение давления и мощности (ВЧ-напряжения)


25

указывается руководителем. Каждую группу образцов подвергнуть травле-нию, одновременно располагая пластины на различном расстоянии от цен-тра РРК:

d = 0, d = 1 / 3 r, d = 2 / 3 r, где r – радиус кварцевого диска.

Операция плазмохимического травления производится в приведенной ниже последовательности.

Подготовленные образцы с помощью пинцета помещаются внутрь РРК на кварцевый диск. Затем кварцевая камера закрывается и проводится откачка воздуха из реакционного пространства до давления ~ 6,7 Па. (Дав-ление измеряется вакуумметром ВТ-3.) По достижении такого разрежения в РРК с помощью игольчатого натекателя вводится фторсодержащий газ до нужного давления. После этого подается ВЧ-напряжение на индуктор, за-жигается ВЧ-разряд и осуществляется процесс травления в течение необхо-димого промежутка времени. После окончания процесса ПХТ ВЧ-напряже-ние выключается, в РРК напускается воздух и извлекаются обработанные пластины.

3. На обработанных в ВЧ-плазме пластинах с помощью интерферо-метра МИИ-4 проводится измерение глубины травления по полученной ступеньке и затем определяется скорость травления по формуле

Vтр = hтр / t,

где hтp – глубина травления в нм, t – время травления в с.

Полученные результаты заносятся в таблицу. Если травление всех групп образцов производили при одинаковом давлении, то таблица имеет следующий вид.

№

группы t, с Uвч, кВ № образца hтp, нм Vтр, нм/с Vтр,(ср). нм/с εβ

1 2 3 4 5 6 7 8

1

2

3

Примечание: в случае травления всех групп при одинаковой мощности в таблице следует заменить 3-й столбец на столбец Р, Па.


26

Здесь Vтр. – полученная средняя скорость травления для каждой группы:

,

где Vi

тр. – скорость травления i-й пластины в группе; n – число пластин в группе; εβ – доверительный интервал измерений (см. п. 4).

4. Произвести расчет ошибок измерений, для чего необходимо под-считать доверительный интервал измерений для каждой группы образцов. Он рассчитывается следующим образом:

.

В этой формуле tβ определяет для нормального закона распределения

число средних квадратичных отклонений, которое нужно отложить вверх и вниз (или вправо и влево) от центра рассеяния (от среднего значения V) для того, чтобы вероятность попадания в полученный отрезок была равна опре-деленному числу β. При доверительной вероятности β = 0,95 (95 %) вели-чина tβ = 1,96. Тогда доверительные границы измерений будут

Vi

тр. = Vтp ± εβ. 5. Построить график зависимости Vтр = f (Uвч) при P = const либо Vтр =

= f(Р) при Uвч = сопst, отметив на нем отрезками доверительные интервалы для точек Vтр.

УКАЗАНИЕ. Для нахождения εβ составить программу для облегчения расчетов.

6. Сделать выводы по результатам проделанной работы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каковы преимущества плазмохимического травления перед жид-

костным? 2. Что такое плазма? Какие ее разновидности вам известны? 3. Чем обусловлена неравновесность низкотемпературной газоразряд-

ной плазмы? 4. Какие стадии процесса ПХТ можно выделить? 5. От чего зависит скорость образования радикалов? 6. Какова последовательность взаимодействия фторсодержащих ра-

дикалов с поверхностью Si?


27

7. От каких факторов зависит скорость травления твердофазного объ-екта?

8. В чем преимущества использования метода ПХТ для формирования топологии в пленках нитрида кремния?

9. Какие факторы оказывают влияние на анизотропию травления?

ЛИТЕРАТУРА 1. Ефремов А.М. Вакуумно-плазменные процессы и технологии :

учебное пособие / А.М. Ефремов, В.И. Светцов, В.В. Рыбкин. – Иваново : Изд-во Иван. гос. хим.-технол. ун-та, 2006. – 260 с.

2. Плазменная технология в производстве СБИС / под ред. Н. Айнс-прука и Д. Брауна. – М. : Мир, 1983. – 469 с.

3. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для травле-ния и очистки материалов / Б.С. Данилин, В.Ю. Киреев. – М. : Энергoатом-издат, 1987. – 264 с.

4. Григорьев Ф.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление в технологии микроэлектроники : учебное пособие / Ф.И. Григорьев. – М. : Изд-во Моск. гос. ин-та электроники и математики, 2003. – 48 с.


28

Учебное издание

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Часть 1

Плазмохимическое травление материалов электронной техники

Учебно-методическое пособие для вузов

Составители: Владимирова Людмила Николаевна,

Дикарев Юрий Иванович, Рубинштейн Владимир Михайлович,

Петраков Владимир Иванович

Корректор В.П. Бахметьев

Компьютерная верстка Е.Н. Комарчук

Подписано в печать 17.06.2014. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 50 экз. Заказ 423

Издательский дом ВГУ.

394000, г. Воронеж, пл. Ленина, 10

Отпечатано в типографии Издательского дома ВГУ. 394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3


Internet

плазменные технологии в микроэлектронике. часть 1. плазмохимическое травление материалов электронной