7.3. Обработка подложек непосредственно в зоне плазмообразования

7.3.1. Ионно-плазменное травление

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили системы индивидуальной и групповой обработки, в которых травление подложек осуществляется непосред­ственно в зоне плазмообразования, т. е. существует прямой контакт плазмы с поверхностью обрабатываемых подложек. Они могут располагаться на заземленном электроде подложкодержателе, на ВЧ электроде либо (в случае объемных си­стем) в кассете. В зависимости от места расположения под­ложек в реакционной камере и внешних параметров травле­ние в зоне плазмообразования подразделяется на ионно-плазменное (или реактивное ионно-плазменное) и плазменное (рис. 7.10). В первом случае значительную роль в механизме травления играет ионная бомбардировка, стимулирую­щая процесс химического взаимодействия атомов, радика­лов и молекул с поверхностью, интенсивность которой опре­деляется концентрацией ионов и их энергией, зависящих от потенциала смещения на ВЧ электроде и частоты поля.

Рис. 7.10. Влияние внешних параметров разряда на характер обработки поверхности подложек в зоне плазмообразования

Ионно-плазменное травление реализуется обычно при рас­положении образца на высокочастотном электроде, относи­тельно низком (доли и единицы паскаля) давлении и доста­точно высокой ВЧ мощности. Все эти факторы обеспечивают необходимое напряжение смещения, ускоряющее ионы в на­правлении, перпендикулярном поверхности подложки. В ка­честве плазмообразующей среды используется, как правило, инертный газ, в большинстве случаев аргон. Поскольку ко­эффициенты распыления различных материалов в интервале энергий до 100 эВ сравнительно невелики, то при воз­действии пучка ионов на поверхность подложки последняя практически не распыляется, однако, присутствующие на ней адсорбированные частицы и химические соединения десор- бируются, очищая тем самым поверхность. В большинстве случаев ионно-плазменное травление в технологии использу­ется для очистки поверхности. При очистке поверхно­сти, в отличие от ее распыления, происходит выбивание ато­мов лишь из поверхностного слоя, причем эти атомы имеют энергию связи, отличную от энергии связи атомов в объеме.

При взаимодействии ионного пучка с поверхностью ос­новная доля энергии ионов (70—90 %) расходуется на на­грев материала, около 10 % ее затрачивается непосредствен­но на распыление материала, а оставшаяся часть уходит на образование радиационных повреждений, вторичную элект­ронную эмиссию и электромагнитное излучение.

Энергетическая эффективность процесса ионного распы­ления у определяется массой материала М, распыляемого в единицу времени с единицы площади мишени (подложки), отнесенной к плотности мощности, которая, в свою очередь, определяется произведением плотности тока у_и на величину ускоряющего напряжения Г/_и. Если процесс распыления осу­ществляется однократно ионизированными ионами, то мас­са распыленного материала может быть представлена в сле­дующем виде:

Используя это выражение, для эффективности процесса ионного распыления имеем

где – энергия ионов.

Поскольку эффективность распыления определяется ко­эффициентом распыления и энергией ионов, то с учетом зависимости S от энергии следует, что максимальная энер­гетическая зависимость ионного распыления материалов ле­жит в интервале энергий ионов 300—500 эВ, т. е. при энер­гиях, когда коэффициент распыления большинства матери­алов S максимален.

Процессы ионно-плазменного травления реализуются в системах с самостоятельным разрядом (ВЧ или на посто­янном токе). Могут быть также использованы системы и с несамостоятельным разрядом, в котором электроны эмитируются либо вследствие термоэлектрон­ной эмиссии, либо другим спосо­бом.

Разрядные устройства могут быть двухэлектродными (диодные системы) и трехэлектродными. Наиболее широкое применение на­шли ВЧ диодные системы, позво­ляющие распылять практически любые материалы — металлы, по­лупроводники, диэлектрики, ор­ганические соединения и др.

Рис. 7.11. Постоянное отрицательное напряжение смещения на ВЧ электроде в зависимости от прикладываемой мощности в SF₆ при р= 2,4 Па и различной площади электрода 1 — 0,11 м², 2 — 0,22 и 3 — 0,6 м²

Конструктивно ВЧ системы для ионно-плазменного травления вы­полняются обычно таким образом, что площадь ВЧ электрода значи­тельно меньше заземленных час­тей разрядной камеры, что обес­печивает достаточно высокий по­тенциал смещения на нем, пос­кольку при одинаковой мощности значение потенциала смещения тем больше, чем меньше пло­щадь электрода (рис. 7.11). Обычно диаметр электрода планарных ВЧ диодных систем составляет (2—6)-10^-1м, а меж­электродное расстояние 0,04—0,08 м [2]. Для предотвраще­ния зажигания разряда по всему вакуумному объему ВЧ элек­трод экранируют, размещая заземленный экран на таком рас­стоянии, чтобы между ним и электродом не сформировался разряд — это расстояние, как правило, в 2 раза меньше ве­личины темного пространства, обедненного электронами.

Диапазон рабочих давлений для систем ИПТ составляет 0,66—1,0 Па. С целью увеличения плотности тока ионов применяют наложение магнитных полей — это реализует­ся в магнетронной системе. Наличие магнитного поля с ин­дукцией 0,1—0,12 Тл позволяет повысить плотность ионного тока до уровня 60 А/м при энергии ионов 250 эВ.

Количественной характеристикой процесса ионноплазменного травления является скорость, определяемая отно­шением толщины удаленного слоя материала ко времени обработки. При нормальном падении ионов на поверхность скорость травления определяется выражением

Если падение ионов на поверхность наклонное, то в выра­жении (7.7) необходимо учитывать угловую зависимость ко­эффициента распыления.

При увеличении плотности мощности, приводящем к воз­растанию потока ионов на поверхность и их энергии, ско­рость травления для большинства материалов (Si, Si0₂, Si₃N₄) монотонно возрастает в интервале плотности мощности до 1,2 -10⁴ Вт/м², в то время как для органических материалов возможно резкое увеличение скорости травления, обуслов­ленное их разогревом. Путем совершенствования системы охлаждения подложек при ИПТ удалось довести плотность мощности до уровня 8-10⁴ Вт/м² при увеличении скорости травления в 8—10 раз без деградации органичес­ких резистивных масок.

Из-за незначительного различия в скоростях травления разных материалов, а также в силу зависимости скорости травления от угла падения ионов процессы ИПТ не исполь­зуются для размерной обработки, а исключительно для очи­стки поверхности. Благодаря высокой эффективности очис­тки подложек перед нанесением металлизации практичес­ки все современные системы для нанесения металлических пленок снабжены устройствами для ионной очистки на базе ВЧ разряда в аргоне. Широкое применение ИПТ воз­можно также при травлении слоев меди и никеля в печат­ных платах больших размеров, поскольку в данном случае возможно создание систем, имеющих диаметр ВЧ электрода в 4—5 раз больший, чем диаметр автономных ионных источников.