Физико-химические основы процессов вакуум-термического удаления вещества с поверхности твердой фазы
Классификация методов сухого травления
Одним из критериев прогрессивности и совершенства технологии является минимальный воспроизводимый размер элементов микроэлектронной структуры. В этом плане химическое травление имеет ряд ограничений, связанных с невозможностью получения элементов субмикронных размеров, а методы вакуум-термического удаления весьма перспективны.
К вакуум-термическим процессам, преимущественно связанным с физическими методами удаления вещества с поверхности подложки при пониженном давлении в рабочем пространстве, относятся методы вакуум-термического испарения и методы, основанные на воздействии частиц высоких энергий на поверхность твердой фазы. Эти методы относят к так называемой «сухой технологии», противопоставляя ее «мокрой технологии», т. е. химическим методам травления с использованием жидких травителей. Это прежде всего плазмохимические процессы, высокочастотное и катодное распыление, электронно-лучевое испарение, воздействие лазерных излучений.
Все процессы, относящиеся к этой группе, обладают высокой прецизионностью, повышенной разрешающей способностью, легко интегрируются в единый технологический цикл, открывая принципиальную возможность автоматизации, более производительны как при нанесении вещества на поверхность, так и при его удалении.
Кроме указанных преимуществ, сухая технология позволяет исключить из производства огромное количество токсичных веществ. Сухие процессы травления с большим успехом используются для формирования рисунка ИС на диэлектриках, полупроводниках и металлах.
Все методы «сухого» травления можно разделить на три группы. На Рис. 1 приведена классификация этих методов, которые различаются по физико-химическому механизму взаимодействия с поверхностью материала.
Рис. 1. Общая схема классификации методов «сухого» травления.
Первая группа - процессы травления, в которых удаление поверхностных слоев материала происходит только путем физического распыления. Распыление осуществляется быстрыми ионами газов химически не реагирующих с обрабатываемым материалом, обычно ионами инертных газов. Такие процессы называют ионным травлением (ИТ). Если обрабатываемый материал помещен на электродах или держателях, соприкасающихся с плазмой разряда, то процессы относятся к ионно-плазменному травлению (ИПТ). Если материал помещен в вакуумную зону обработки, отделенную от области плазмы, то процессы называется ионно-лучевым травлением (ИЛТ).
Вторая группа методов - процессы травления, в которых удаление поверхностных слоев материалов происходит только в результате химических реакций между химически активными частицами (ХАЧ) и поверхностными атомами материалов. Такие процессы получили название плазмохимическое травление. Если обрабатываемый материал находится в области плазмы разряда, то такое травление называется плазменным (ПТ). В этом случае химические реакции травления на поверхности материала будут активироваться бомбардировкой медленными электронами и ионами, а также оптическим излучением. Если же материал находится в вакуумной зоне обработки, обычно называемой в этом случае реакционной зоной и отделенной от области плазмы, то травление проводится с помощью ХАЧ без дополнительной активации электронной и ионной бомбардировкой, а в ряде случаев и в отсутствие воздействия фотонов. Химически активные незаряженные частицы, имеющие неспаренный электрон, принято называть радикалами, поэтому процессы травления ХАЧ называются также радикальным травлением (РТ).
Третья группа методов - процессы травления, в которых удаление поверхностных слоев материала происходит как физическим распылением быстрыми ионами, так и с помощью химических реакций между ХАЧ и поверхностными атомами материала. Они называются ионно-химическим травлением. Если обрабатываемый материал находится в области плазмы, то процесс относится к реактивному ионно-плазменному травлению (РИПТ). В этом случае ХАЧ могут доставляться к поверхности материала из плазмы разряда, образовываться на поверхности при ударной диссоциации молекулярных ионов или нейтрализации атомарных ионов. При этом поверхность подвергается также воздействию электронной бомбардировки и облучения. Если материал находятся в вакуумной зоне обработки, отделенной от области плазмы, то процесс травления называется реактивным ионно-лучевым травлением (РИЛТ). В этом случае поверхность материала подвергается воздействию только молекулярных или атомарных, ионов, которые при ударной диссоциации или нейтрализации могут образовывать ХАЧ. Иногда при этом имеет место воздействие на поверхность материала излучения плазмы.
В процессе ИХТ трудно разделить вклады физических и химических механизмов, так как физическое распыление активирует поверхность материала, повышая скорости химических реакций, которые в свою очередь ослабляют химические связи поверхностных атомов, увеличивая скорость их физического распыления. Пороговые энергии физического распыления различными ионами лежат в диапазоне 20-30 эВ, однако заметных скоростей травления процесс физического распыления достигает при энергиях порядка 100 эВ, и эта величина энергии ионов может служить условной границей между процессами ИХТ и ПХТ.
Сухие процессы травления с большим успехом используются для формирования рисунка ИС на диэлектриках, полупроводниках и металлах.
Прежде чем перейти к более подробному описанию всех шести методов сухого травления, рассмотрим основные принципы вакуумно-плазменного травления.
3.2. Вакуум-термическое испарение
Вследствие теплового движения атомов все металлы принципиально способны испаряться даже при низких температурах, с ростом температуры увеличивается кинетическая энергия атомов и возрастает вероятность их отрыва от поверхности, поэтому скорость, испарения увеличивается с ростом температуры. Некоторые металлы, например ртуть, цезий, рубидий, обладают измеримой скоростью испарения уже при комнатной температуре, тогда как испарение таких тугоплавких металлов, как тантал, вольфрам, рений, практически неощутимо даже при 1273 К.
Применимость методов испарения в вакууме различна для разных веществ. Скорость испарения vисп элемента с атомным номером Nэ определяется по формуле:
где рэ — давление пара элемента при температуре Т; кИ — коэффициент испарения, равный единице для чистой поверхности испаряемых веществ.
Описание закономерностей испарения мы начнем с простых однокомпонентных металлических систем. Затем перейдем к двухкомпонентным сплавам и более сложным системам, различие свойств компонентов которых или их соединений обеспечивает при повышенных температурах различное содержание их в конденсированной и газовой фазах.
3.2.1.Процесс испарения и давление насыщенного пара
С увеличением температуры давление насыщенных паров любого вещества повышается по некоторой кривой, характер которой одинаков для большинства веществ.
Аналитическое выражение зависимости давления насыщенного пара р от температуры Т выводится на основе законов химической термодинамики и, в конечном итоге, выражается уравнением Клаузиуса—Клапейрона.
При рассмотрении явления испарения в двухкомпонентных системах следует различать два граничных случая:
оба компонента обладают неограниченной взаимной растворимостью при данной температуре;
оба компонента обладают полной взаимной нерастворимостью, образуя друг с другом лишь механическую смесь.
Помимо того, возможен промежуточный случай с частичной растворимостью компонентов.
Все закономерности, характерные для растворов, относятся как к жидким, так и к твердым растворам.
В системах с полной взаимной нерастворимостью каждый компонент ведет себя независимо и имеет давление пара такое же, какое он имел бы, находясь в системе один; исключение составляют смеси с очень малой концентрацией одного из компонентов, в которых упругость пара последнего резко падает. При неограниченной растворимости, согласно закону Рауля, давление паров растворителя при данной температуре понижается пропорционально молярной доле растворенного вещества.
При ограниченной растворимости к системам с ограниченной растворимостью относятся почти все сплавы при температурах, ниже которых уже появляются самостоятельные твердые или жидкие фазы давление пара двухкомпонентной системы, очевидно, является более сложной функцией состава системы.
При нагреве соединений в вакууме в зависимости от их природы может наблюдаться сублимация (в виде простых молекул или полимеров) или диссоциация этих соединений, сопровождаемая сублимацией летучих составляющих. Эти процессы могут происходить и одновременно, а химический состав соединений может быть не постоянным.