logo
Лекции / Конспект лекций по ФХОТЭС

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+CF4CF3++F+ 2e;

e+CF4CF3+F+e;

e+CF4CF3+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+SiSiF4.

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:

RSi+FRSi-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 RSi-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.