Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Процессы плазменного травления в микро- и нанотехнологиях

1.3. Основные стадии процессов сухого травления

В процессах сухого травления можно выделить несколько основных стадий, а именно:

  • • доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда;
  • • переход молекул рабочего газа в газовом разряде в энергетические и химически активные частицы;
  • • доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала;
  • • взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью обрабатываемого материала;
  • • отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.

Скорость гетерогенных многостадийных процессов определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Следовательно, для нахождения закономерностей процессов плазмохимического (ПХТ) и ионно-химического травления (ИХТ) материалов надо выявитьлимитирующую стадию и определить, какие параметры влияют на ее скорость. А для этого необходимо подробно проанализировать каждую из вышеперечисленных стадий.

1.3.1. Доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда

Осуществление этой стадии реализуется газовым блоком с регуляторами расходов газов, устройством смешивания газовой смеси, газовой магистралью с распределенным либо точечным вводом в реактор и откачным постом с дроссельной заслонкой, обеспечивающих протекание газового потока при заданном давлении с определенной скоростью. Не касаясь в данный момент используемых рабочих газов, затронем вопросы режимов течения газа и зависимости скорости травления от расхода газа. Известно, что молекулярный режим течения газа в реакторах сухого травления устанавливается при давлении Р< 2 • Ю“2 —3 • 10-2 Па, а вязкостный режим — при Р > 6—8 Па. В соответствии с этим, в большинстве процессов ПХТ газ движется в вязкостном режиме, в большей части реакторов ИХТ режим течения газа молекулярно-вязкостный, а в реакторах типа РИЛТ, TCP, ЭЦР (на электронном циклотронном резонансе) течение газа становится чисто молекулярным. В зависимости от типа реактора поток рабочего газа составляет от нескольких единиц до 100 см3/мин. В реакторах ПХТ высокого давления (Р> 90 Па) при использовании высокопроизводительных химически стойких насосов применяют потоки рабочих газов до 500—600 см3/мин.

Расходы газов, или газовые потоки, Q„s в международной системе единиц (СИ) измеряются в м3 • Па/с. Однако в подавляющем большинстве теоретических и экспериментальных работ газовые потоки определяются в более привычных внесистемных единицах (табл. 1.2): л • мм рт. ст./с и см3 ? атм/мин (объем в кубических сантиметрах, приведенный к нормальному атмосферному давлению, в минуту).

Таблица 1.2

Соотношение между единицами расхода газа

Единица

м3 Па/с

л • мм рт. ст./с

см3 ? атм/мин

м3 • Па/с

1

7,5

600

л • мм рт. ст./с

1,33 • 10"’

1

80

см3•атм/мин

1,66 • 10'3

1,25 ? 10 2

1

Для повышения эффективности травления материалов во всех системах ВПТ необходимо независимо регулировать рабочее давление в камере р и расход рабочего газа <2р г Это достигается установкой на откачных магистралях затворов с регулируемыми размерами пропускных отверстий или напуском в магистрали контролируемого потока балластного газа, например, осушенного азота. Кривая зависимости скорости травления v.rp материала от расхода рабочих газов Qpr при постоянной мощности разряда Wpm и постоянном давлении р обычно имеет максимум. Увеличение Qps вначале способствует эффективной доставке молекул рабочего газа в зону плазмы разряда, повышению стационарной концентрации энергетических частиц и ХАЧ, а следовательно, и скорости травления. Однако при дальнейшем увеличении Qp г время нахождения молекул газа в зоне плазмы разряда тШ1 = р У jQpAпл объем плазменной зоны) и время нахождения ХАЧ у поверхности обрабатываемого материала тобр = pVjQp.v, (У — объем зоны обработки) становятся настолько малыми, что молекулы газа откачиваются из реактора, не успев превратиться в энергетические частицы и ХАЧ, а ХАЧ откачиваются, не успев вступить в реакцию с обрабатываемым материалом. Часто вместо тпл и тобр пользуются средним временем нахождения частиц газа в реакторе (средним остаточным временем)

где Ур — объем реактора.

Значение тост в зависимости от Qp v при постоянной мощности разряда и постоянном давлении газа может существенно изменяться (в 3—10 раз). Кроме того, расход рабочего газа оказывает большое влияние на селективность травления — отношение скоростей травления различных материалов. Например, увеличение потока газовой смеси CF4 + Н2 (9 : 1) от 5 до

40 см3/мин (в результате чего хостуменьшается с 8,3 до 1 с) увеличивает селективность реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ) SiO? относительно Si с 2,5 до 45 16]. Высокая и стабильная скорость травления может быть получена только при постоянном значении потока газа. При этом скорость откачки регулируется таким образом, чтобы работать в том диапазоне давлений и потоков, при которых скорость травления имеет наибольшее значение и практически не зависит от давления.

Поскольку скорости молекул газа и ХАЧ малы по сравнению со скоростями заряженных частиц, которые, по существу, определяют анизотропию травления, последняя в используемом для процессов ВПТ диапазоне давлений практически мало зависит от Qpr В то же время значение и направление потока рабочего газа во многом определяют равномерность процессов РИПТ и ПХТ в цилиндрических и планарных реакторах. При увеличении С?р.г. от центра к краям планарного реактора максимум плотности электронов, а следовательно, и ХАЧ, сдвигается к краям электродов, изменяя равномерность травления.

Для оценки эффективности процессов ВПТ служит коэффициент использования рабочего газа (р, равный отношению скорости удаления атомов материала с поверхности к потоку молекул рабочего газа на эту поверхность:

где р — плотность материала; NA число Авогадро; vTp — скорость травления материала; FM — площадь поверхности обрабатываемого материала; Ast атомная масса материала; Qpr — расход рабочего газа.

Учитывая, что расход 1 см3/мин эквивалентен потоку молекул 2,69 • 1019 мин-1, легко получить значение (р для различных материалов, например для кремния:

При (р > 20%, го есть когда поток продуктов реакции составляет больше 20% Qpr, в процессе травления происходит изменение состава рабочего газа, а следовательно, скорости и селективности травления материалов [5]. В ряде случаев может наблюдаться высадка пленок на стенках реактора из-за разложения продуктов реакции (например, высадка пленки кремния при разложении SiF2). Площадь поверхности кремниевой пластины диаметром 100 мм составляет 78,5 см2, для = 6 нм/с поток продуктов реакции при травлении одной пластины составляет 5,3 см3/мин. Следовательно, поток рабочего газа должен быть больше 27 см3/мин [5].

Одним из возможных путей преодоления противоречия между низким коэффициентом использования рабочего газа ф и требуемым большим значением его потока Qp г является «разбавление» рабочего газа специально подобранным инертным газом или азотом. Как известно, в условиях тлеющего разряда прямая диссоциация молекул активного газа за счет столкновений с электронами весьма неэффективна. Поскольку молекулы содержат большое число электронных уровней, ступенчатое возбуждение молекул активного газа в определенных условиях может вызвать их диссоциацию.

Согласно предложенной модели, подтвержденной экспериментальными данными, если энергия электронно-возбужденных метастабильных атомов инертного газа близка к энергии нестабильного возбужденного состояния молекул активного газа, то гашение энергии метастабильных атомов, имеющих значительное время жизни, может вызвать диссоциацию молекул активного газа. Поэтому увеличение в определенных пределах содержания инертного газа в активном газе вызывает рост концентрации возбужденных метастабильных атомов, способных повысить степень диссоциации молекул активного газа. Причем скорость генерации ХАЧ и, как следствие, скорость травления ими материала практически не меняются при разбавлении активного газа инертным. Однако наличие атомов инертного газа при подаче электрического смещения позволяет существенно увеличить анизотропию и, следовательно, разрешающую способность процессов РИТ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы