новая папка 1 / 323717

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

Характерное влияние химического состава газовой среды в РРК на скорости травления тугоплавких металлов видно из сравнения кривых на рис. lа и данных, приведенных на рис. 2(а–в). Оказалось, что скорости травления исследуемых материалов в разряде SF6 более чем на порядок выше, чем при травлении 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, большей скоростью диссоциации молекул SF6 под действием электронных ударов. Кроме того, при столкновении электронов с сильно электроотрицательными молекулами SF6 даже при комнатной температуре возможно эффективное 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

21

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 объяснить связыванием молекул F2 и радикалов F•, образующихся в разряде, молекулами Н2. Здесь водород действует как ингибитор при образовании фтора 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 носят 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 максимум сдвигался в сторону большего содержания О2. Совсем другое влияние оказывало добавление О2 к CF4 или SF6 на скорость травления Ti (2б). Полученное 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 обрабатываемой 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, химический состав плазмы, теплоемкость и импеданс системы, включающей в себя 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 давлении 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 составляло не более 30 секунд.

Оптимальное давление, соответствующее максимальной скорости генерации 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 – средняя длина свободного пробега молекул рабочего газа, отнесенная к единич-

ному давлению (Па · м) и Т = 273 К; Те – температура электронов, К; f – частота поля, Гц.

22

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 течения 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 осуществляется в вязкостном режиме. Поэтому возникает задача такой организации 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 необходимо учитывать при оптимизации технологии.

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

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

Для возбуждения ВЧ-разряда в реакционно-разрядной камере установок для ПХТ обычно используются два основных типа систем возбуждения разряда. Если ВЧ-напряжение подается на многовитковый индуктор, охватывающий камеру, то система возбуждения называется индуктивной. Большое распространение получили планарные емкостные (диодные) системы. В этом случае напряжение подается на два или несколько электродов (обкладок конденсатора), между которыми создается переменное электрическое 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 плазмы с обрабатываемым материалом (4). Блок-схема установки для ПХТ представлена на рис. 3.

23

Рис. 3. Принципиальная схема установки плазмохимического травления кремния:

1 – кварцевый колпак РРК; 2 – трубочка подачи газа; 3 – индуктор; 4 – обрабатываемая 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 реакционный 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 осуществляют процесс травления, образуя с обрабатываемым материалом фториды 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 деионизованной 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

иразличном давлении. Значение давления и мощности (ВЧ-напряжения)

24

указывается руководителем. Каждую группу образцов подвергнуть травлению, одновременно располагая пластины на различном расстоянии от центра 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. (Давление 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, зажигается ВЧ-разряд и осуществляется процесс травления в течение необходимого 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 интерферометра 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.

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

25

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

,

где Viтр. – 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 подсчитать 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 определенному числу β. При доверительной вероятности β = 0,95 (95 %) величина tβ = 1,96. Тогда доверительные границы измерений будут

Viтр. = 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 жидкостным?

2.Что такое плазма? Какие ее разновидности вам известны?

3.Чем обусловлена неравновесность низкотемпературной газоразрядной плазмы?

4.Какие стадии процесса ПХТ можно выделить?

5.От чего зависит скорость образования радикалов?

6.Какова последовательность взаимодействия фторсодержащих радикалов с поверхностью Si?

26

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. Айнспрука и Д. Брауна. – М. : Мир, 1983. – 469 с.

3.Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов / Б.С. Данилин, В.Ю. Киреев. – М. : Энергoатом-

издат, 1987. – 264 с.

4.Григорьев Ф.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление

втехнологии микроэлектроники : учебное пособие / Ф.И. Григорьев. – М. : Изд-во Моск. гос. ин-та электроники и математики, 2003. – 48 с.

27

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

28