Вакуумно-плазменное травление

Операция вакуумно-плазменного удаления поверхностного слоя (травления) может применяться как перед нанесением тонких пленок (с целью удаления окисного слоя, очистки и активации поверхности), так и для получения требуемого микрорельефа поверхности. Она включает в себя:

1. загрузку подложек в вакуумную камеру;

2. откачку камеры и напуск рабочего газа;

3. включение источника травления;

4. контроль процесса окончания травления;

5. разгерметизацию вакуумной камеры и выгрузку обработанных изделий.

С помощью вакуумно-плазменного травления можно обрабатывать полупроводниковые материалы, металлы, диэлектрики, окислы, нитриды, карбиды, алмаз, камни, высокомолекулярные соединения и т.д., причем как в монолитном, так и в тонкопленочном виде. В качестве инструмента травления используются: газоразрядная плазма (инертные и химически активные газы); ионный луч (Ar⁺, Kr⁺, Cl⁺, F⁺ и др.); атомный и молекулярный пучок (Ar, Kr, Cl₂, F₂, O₂, H₂ и др.). Глубина травления может составлять от 0,05 до нескольких микрометров, а минимальная ширина линии травлении – 0,1 – 0,5 мкм.

В зависимости от вида обрабатываемого материала, требований по точности размеров микроструктур и производительности оборудования применяются различные способы вакуумно-плазменного травления (Табл.7 и 8). При использовании шлюзовых загрузочных систем главным резервом повышения производительности оборудования является скорость травления, которая в зависимости от применяемого способа может колебаться от 0,01 до 500 нм/с.

При ионном травлении ("ИТ") скорость травления (физического распыления материала) равна:

, м/с;

где j_i – плотность ионного тока, А/м²; S – коэффициент распыления, атом/ион; M – молекулярная масса, кг/кмоль; q_e - заряд электрона, Кл; N_A - число Авогадро, молекул/кмоль;  - плотность материала, кг/м³.

При химическом травлении ("ХТ") скорость травления (спонтанной химической реакции) равна:

, м/с;

где q_хач – плотность потока химически активных частиц (ХАЧ) на поверхность материала, ХАЧ/(м^2.с); _хр - вероятность спонтанной химической реакции; y_хр - коэффициент выхода материала в результате химической реакции, атом/ХАЧ (для реакции Si + 4F  SiF₄ y_хр= 0,25 атом/ХАЧ). Величину q_хач можно рассчитать по следующей формуле:

,

где - парциальное давление ХАЧ,Па; k - постоянная Больцмана, Дж/К; T - температура стенок вакуумной камеры, К. Величину _хр можно рассчитать по следующей формуле:

,

где С_хр – предэкспоненциальный множитель, не зависящий от температуры; E_акт - энергия активации спонтанной химической реакции, Дж. В технологии микроэлектроники типичными химическими реакциями на подложке являются: Si + 4F^  SiF₄; SiO2 + 4F^  SiF₄ + O₂; Si₃N₄ + 12F^ 3SiF₄ + 2N₂ и т.п

При ионно-химическом травлении ("ИХТ") скорость травления определяется как сумма V_ИХТ = V_ИТ + V_ХТ.

Селективность травления, т.е. возможность обрабатывать различные материалы, зависит от эффекта, лежащего в основе удаления материала с обрабатываемой поверхности. Физическим распылением можно обрабатывать практически любые материалы; скорость травления различных материалов зависит только от коэффициента распыления. Химическое взаимодействие наоборот весьма избирательно к различным материалам.

Погрешность травления, т.е. отклонение получаемых размеров от размеров маски, зависит от показателей изотропности травления. Строгая направленность обработки ускоренными частицами (заряженными ионами, нейтрализованными атомами или молекулами) способствует уменьшению погрешности размеров благодаря преимущественному травлению перпендикулярно поверхности, т.е. в глубь материала (см. Табл.7, Рис.27 а). Травление электрически нейтральными частицами (молекулами, атомами и радикалами), не имеющими преимущественного направления движения, вызывает появление погрешности размеров обработки за счет изотропного травления как перпендикулярно поверхности, т.е. в глубь материала, так и параллельно ей, т.е. под маску (Рис.27 б).

При ионном травлении погрешность размеров обработки может появиться при неправильно выбранной толщине маски. Если толщина маски намного больше толщины вытравливаемого слоя, то распыляемые атомы осаждаются на боковые стенки маски и изменяют ее размеры (длину, ширину или диаметр окна). При этом соответствующие размеры обрабатываемого слоя уменьшаются. Если толщина маски меньше или равна толщине обрабатываемого слоя, то материал маски может стравиться быстрее, чем материал слоя и его размеры могут стать больше требуемых.

Оптимальная толщина маски при ионном травлении рассчитывается по следующей методике:

• максимальное время травления маски t₁ толщиной l_m без погрешности  равно

,

где V_m()=V_m(0)/Cos – скорость травления маски под углом , возникающим в результате более интенсивного распыления скругленных кромок маски (Рис.27 а); V_m(0) – скорость травления маски при  = 0;

• время травления слоя t на заданную глубину l_s равно

,

где V_s(0) – скорость травления слоя при  = 0;

• скорость бокового травления маски V_t равна

;

• погрешность травления  равна

;

• оптимальная толщина маски равна (при=0)

.

К материалам маски при ионном травлении предъявляются следующие требования: высокая разрешающая способность; термостойкость; минимальная скорость травления по отношению к скорости травления слоя. Применяются маски из фольги (трафареты) с минимальным размером рисунка 30 – 50 мкм и тонкопленочные (контактные) маски с минимальным размером рисунка 0,1 – 0,5 мкм. Тонкопленочные маски изготавливают из:

- органических материалов: фото-, электроно-, ионо- и рентгенорезистов, которые могут работать при температуре не выше 423 – 473 К, что определяет критическую плотность мощности ионного тока на мишени: 0,05 Вт/см² без охлаждения мишени, 0,5 Вт/см² с водяным охлаждением без плотного прижатия к мишени, 1 Вт/см² с водяным охлаждением по всей площади поверхности мишени;

- металлов: Ti, Cr, Mn, V, Mo, Ta и Al, которые выдерживают температуру 620 – 670 К и скорость травления которых резко уменьшается при напуске кислорода (через такие маски обрабатывают материалы, коэффициент распыления которых мало зависит от парциального давления кислорода: SiO₂, Si₃N₄, Cu, Ag, Au, Pt, GaAs и др.);

- графита, имеющего самый низкий коэффициент распыления в чистом аргоне и выдерживающего большие плотности мощности ионного тока на мишени.

Выбор способа травления заключается в определении приоритетных характеристик: наименьшей селективностью травления и наименьшей погрешностью размеров обработки обладает ионное травление ("ИТ"); наибольшую скорость травления и наименьший нарушенный слой обрабатываемой поверхности можно получить при химическом травлении ("ХТ"); наилучшим сочетанием точности обработки и производительности оборудования обладает ионно-химическое травление ("ИХТ").

Современные методы нанесения тонких пленок распылением мишеней таких твердосмазочных материалов (ТСМ), как дисульфид молибдена позволяют получать покрытия, обладающие уникальными антифрикционными характеристиками при малой толщине и высокой адгезии покрытия к подложке. Интерес к такому покрытию обусловлен низким коэффициентом трения (аномально-низким в условиях сверхвысокого вакуума), малым газовыделением в вакууме, возможностью использования в экстремальных условиях: в вакууме, при высоких температурах и нагрузках.

Основным препятствием к широкому использованию технологий вакуумного нанесения ТСМ в машиностроении является малая, до нескольких микрометров, толщина покрытий, обеспечивающая недостаточно высокую долговечность, несмотря на низкую интенсивность его изнашивания. Поэтому твердосмазочные покрытия (ТСП) толщиной порядка 1 мкм, формируемые вакуумными методами, целесообразно использовать в прецизионных механизмах, а для многоциклических механизмов - необходимо повышать долговечность ТСП.

Одним из возможных решений проблемы является объединение в едином вакуумном цикле операций ионного травления и нанесения тонких пленок с целью формирования на поверхности трения микрорельефа и покрытия, сопоставимых по своей глубине и толщине с параметром шероховатости поверхности. После износа слоя покрытия на участках между микрокарманами антифрикционные свойства контакта обеспечиваются за счет подпитки зоны трения содержащимися в микрокарманах запасами ТСМ.

Использование уникальных возможностей ионных технологий при финишной подготовке поверхности перед нанесением покрытия (ионная очистка и ионная активация) позволяет добиться высокой адгезии тонкой пленки, что приводит к повышению антифрикционных характеристик ТСП. Кроме того, ионно-лучевая обработка может выступать также и в качестве эффективного инструмента для формирования необходимого микрорельефа (микрокарманов), поскольку максимальная требуемая глубина травления составляет до нескольких микрометров. Кроме того, операция ионной полировки поверхности трения, в отличие от традиционной механической обработки, за счет сглаживания вершин микронеровностей обеспечивает наиболее предпочтительный контур шероховатости (с точки зрения уменьшения интенсивности изнашивания тонкопленочного ТСП).

На рис. 28 представлена схема и внешний вид вакуумной установки для формирования в едином вакуумном цикле микрорельефа и ТСП. Ионное травление микрокарманов осуществляется через маску автономным источником ионов, а нанесение ТСП – высокочастотным магнетронным распылительным устройством.