Плазмохимическое и ионно-химическое травление
Плазмохимическое травление (ПХТ) — удаление материала поверхности в химически активной плазме. Плазма формируется из галогеноуглеродов кислорода, водорода, их смесей и других газов. Образование химически активной плазмы происходит в электрическом разряде. Наиболее удобны для этой цели ВЧ и СВЧ разряды. Продукты взаимодействия частиц плазмы, в основном радикалов, с материалами должны обладать равновесным давлением пара, достаточным для их удаления откачкой при температурах, близких к комнатной.
Радикалы, возникающие при диссоциации молекул газа, хемосорбируются на поверхности обрабатываемого материала, объединяя свои неспаренные электроны с атомами, имеющими свободные валентности, т.е. с активными центрами на поверхности. Между радикалами и атомами материала образуются прочные ковалентные связи.
Плазмохимическое травление проводится при давлениях 10-1- 102Па. Процесс позволяет получать структуры травления с разрешением, примерно равным толщине вытравливаемого слоя. Относительно низкая разрешающая способность процесса определяется диффузным движением частиц плазмы к обрабатываемой поверхности. Основное применение плазмохимического травления — травление элементов топологии, очистка поверхности и удаление фоторезиста после операций фотолитографии.
Ионно-химическое травление(ИХТ) — травление материалов направленными пучками химически активных ионов. Энергетические ионы, обладающие высокой кинетической энергией, бомбардируют поверхность материала. При этом происходит нейтрализация ионов, их внедрение в обрабатываемый материал и фрагментация на составные элементы – атомы. Как правило, ионы в процессах ИХТ представляют собой многоатомные образования. После фрагментации происходит химическая реакция составных частей иона с обрабатываемым материалом. Наблюдается и физическое распыление материала.
При малых энергиях превалирует химическое взаимодействие, при высоких - физическое. Химическая природа процесса ионно-химического травления обеспечивает его высокую селективность (избирательность) воздействия на различные материалы. Направленное движение ионов и низкое давление газа 10-2– 10-1Па обеспечивают направленность и высокое разрешение процесса ионно-химического травления.
Можно выделить следующие стадии процесса травления: доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда; превращение молекул рабочего газа в энергетические и химически активные частицы в плазме; доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала; взаимодействие этих частиц с поверхностью материала; отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.
Скорость гетерогенных многостадийных процессов определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Следовательно, для нахождения закономерностей процессов плазмохимического травления материалов надо выявить лимитирующую стадию и определить, какие параметры влияют на ее скорость.
В качестве примера кратко рассмотрим одну из возможных схем процесса плазмохимического травления кремния в среде на основе тетрафторметана CF4(хладон-14).
В результате взаимодействия электронов с молекулами CF4 в разряде происходит диссоциация и ионизация молекул:
e+CF4CF3++F+ 2e;
e+CF4CF3+F+e;
e+CF4CF3+F-.
Для образования иона CF3+ требуются большие затраты энергии, следовательно, первая реакция наименее вероятна, так как имеет наибольшую энергию активации. Более вероятны вторая и третья реакции. Энергетически выгоднее третья реакция, поскольку вероятность возникновения ионаF-велика, так как у фтора большое сродство к электрону и для атома фтора энергетически выгодно присоединение электрона. Однако эта реакция будет иметь продолжение:
e+F-F+ 2e.
Таким образом, в соответствии с двумя последними реакциями в разряде происходит образование свободных радикалов фтора и фтороуглерода CF(правильнее писатьСF3, так как свободные связи остаются у углерода). Эти частицы являются основными активными частицами образующейся плазмыCF4.
Травление кремния является результатом взаимодействия, главным образом, радикала фтора и кремния с образованием летучего соединения – четырехфтористого кремния SiF4:
4F+SiSiF4.
Процесс перевода кремния в летучее соединение при плазмохимическом травлении можно представить как реакцию, имеющую ряд последовательных этапов. На первом этапе свободный радикал фтора взаимодействует с активным центром на поверхности, т. е. с атомом кремния, обладающим ненасыщенной химической связью:
RSi+FRSi-F,
где R означает кристаллическую решетку кремния.
Число таких активных центров определяется поверхностной плотностью атомов, так как атомы на поверхности имеют ненасыщенные электронные связи. Однако в реальных условиях активность поверхности ниже из-за ее покрытия слоем хемосорбированных атомов и молекул, например кислорода.
В результате возникновения связи RSi-Fпроисходит ослабление связи атома кремния с кристаллической решеткой. Это происходит из-за высокой электроотрицательности фтора, который оттягивает на себя общую с атомом кремния электронную пару. Далее процесс взаимодействия развивается, в него включаются новые радикалы:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
R | | Si | – | F | + | F | | R | = | Si | – | F |
|
| F |
|
|
|
|
|
|
| F |
|
|
| ||
|
| |
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
| ||
R | = | Si | – | F | + | F | | R | – | Si | – | F |
| ||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
| ||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| F |
|
|
| ||
|
| F |
|
|
|
|
|
|
|
|
| F |
|
| |
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
| |
R | – | Si | – | F | + | F | | R | + | F | – | Si | – | F | |
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
| |
|
| F |
|
|
|
|
|
|
|
|
| F |
|
|
Образование летучих молекул SiF4происходит через промежуточные комплексыSiFх, связанные на поверхности кремния. Возможна десорбция этих промежуточных комплексов, в основном в видеSiF2, в результате какого-либо энергетического воздействия на поверхность: ионной или электронной бомбардировки, термической активации.
- 11. Физико-химические и физические основы ионных, ионно-плазменных, плазмохимических методов нанесения и травления микроэлектронных структур
- 11.1. Основы физики тлеющего разряда Характеристики тлеющего разряда
- Вольт-амперная характеристика разряда между электродами
- 11.2. Физические основы ионного распыления
- 11.3. Коэффициент распыления
- 11.4. Энергетическое и пространственное распределение потока распыленных частиц
- 11.5 Ионно-плазменные методы распыления Диодные системы распыления
- Магнетронные системы распыления
- Реактивное распыление
- Плазмодуговое распыление
- 11.6. Процессы ионно-плазменной обработки материалов
- Плазмохимическое осаждение
- Плазмохимическое и ионно-химическое травление
- Травление распылением в плазме
- Ионно-лучевое травление
- Реактивное ионно-плазменное травление
- 11.7. Параметры процессов травления
- Селективность процессов травления
- Направленность процессов травления
- Зависимость скорости травления от параметров процесса
- Влияние эффекта загрузки
- Текстура поверхности