10.2 Плазменные методы удаления материала с поверхности твердого тела. Сущность и классификация методов обработки поверхности

Плазмохимическое травление, как и ионное, проводят в вакуумных установках и также исполь­зуют плазму газового разряда. Плазмохимическое травление (в отличие от чисто физического распыления при ионном травлении) имеет химическую природу. Оно основано на использовании об­ладающих большой реакционной способностью химически актив­ных частиц, получаемых в плазме газового разряда.

Процесс плазмохимического травления можно разделить на ряд этапов: доставка плазмообразующего газа, пара или смеси в камеру вакуумной установки; образование химически активных частиц в газовом разряде; доставка их к обрабатываемой поверх­ности; химические реакции с образованием легко летучих соединений; десорбция и удаление образующихся летучих соединений через откачную -систему вакуумной установки.

Плазмообразующие газы выбирают исходя из свойств обраба­тываемого материала. Для травления кремния и некоторых ме­таллов применяют галогеносодержащие молекулярные газы, так как именно в их плазме образуются необходимые химически ак­тивные частицы, переводящие поверхностные слои в летучие со­единения. Для разбавления и обеспечения требуемых параметров травления в плазму дополнительно вводят аргон, кислород, азот. Наиболее часто для травления кремния и его соединений приме­няют смесь фреона-14 CF4 с (2 ... 8)% кислорода. Присутствие кислорода повышает скорость травления и качество очистки. Фреон-14 относительно инертен, при любых температурах он не вза­имодействует с кремнием. В плазме химически активные частицы образуются в результате взаимодействия молекул газа с ускорен­ными электронами, которые в отличие от тяжелых частиц обла­дают существенно большими энергиями. В плазме фреона-14 с кислородом образование химически активных частиц — возбуж­денного атома фтора F*, положительно заряженного радикала CF₃⁺, атомарного кислорода О — сопровождается реакциями

(10.2.1)

Травление кремния и его соединений сопровождается реакция­ми:

(10.2.2)

Тетрафторид кремния SiF4 — летучее соединение, легко удаля­емое из рабочей камеры установки откачкой. На поверхности крем­ниевых пластин возможно образование углерода:

Si + CF₃⁺ => C + 3F* + Si + e. (20.2.3)

Присутствие в плазме кислорода способствует очистке поверх­ности от углерода за счет его оксидирования до СО или СО₂. Кис­лород также способствует повышению концентрации возбужден­ных атомов фтора в результате образования радикалов COF* и их диссоциации:

COF* => F* + CO . (10.2.4)

Это увеличивает скорость травления кремния. Атомарный кис­лород также очищает поверхность от органических загрязнений. При плазмохимическом травлении физическое распыление прак­тически отсутствует, так как энергия ионов не превышает 100 эВ. В зависимости от конструкции установок различают плазмен­ное и радикальное плазмохимическое травление.

Плазменное травление осуществляют непосредствен­но в плазме газового травления, т. е. с участием всех химически активных частиц, как с большим (F* — 0,1 ... 1 с), так и с малым, временем жизни ('CF+з — около 10 мкс). В камерах диодного ти­па (Рисунок 10.2.1) пластины кремния помещают на нижнем медлен­но вращающемся электроде (0,1 об/с). Пластины электрически, изолированы от электрода, чтобы исключить ионную бомбарди­ровку.

Радикальное плазм о химическое травление про­водят в области вакуумной камеры отделенной от плазмы газо­вого разряда перфорированным металлическим экраном (Рисунок 10.2.2) или магнитными электрическими полями. ВЧ-плазма воз­буждается между цилиндрическими поверхностями рабочей каме­ры и экрана. Травление осуществляется только нейтральными химически активными атомами О или радикалами F* с большим временем жизни, проникающими из плазмы в зону расположения пластин. Заряженные частицы плазмы не могут попасть к поверх­ности пл.астин через отверстия цилиндрического экрана. В зоне,, свободной от заряженных частиц, возбужденные атомы фтора и атомарный кислород, многократно соударяясь с молекулами ра­бочего газа, движутся разупорядоченно, что обеспечивает высо­кую однородность травления от пластины к пластине и по пло­щади каждой пластины.

Так как возбужденные атомы и свободные радикалы отлича­ются высокой реакционной способностью, то эффективность трав­ления существенно повышается. По сравнению с ионным травле­нием при одинаковых параметрах разряда скорость возрастаег более чем на порядок. Благодаря электрической активации газов илазмохимическое травление проводится при существенно мень­ших температурах 100... 300 °С по сравнению с обычным газовым травлением. Плазмохимическое травление из-за химического ме­ханизма обладает высокой избирательностью относительно раз-

Рисунок 10.2.1. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме:

1 — подача рабочего газа; 2— вакуумная камера; 3 — электрод Рисунок 10.2.1. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме:

Рисунок 10.2.2. Схема вакуумной камеры для радикального плазмохимического травления:

1 — кварцевая камера; 2— перфорирован­ный цилиндр; 3 — кассета с пластинами (подложками); 4 — ВЧ-индуктор; 5—пода­ча рабочего газа; 6 — откачной патрубок

личных материалов (например, F+ травит кремний значительно быстрее, чем диоксид кремния).

Благодаря невысокой энергии частиц, поступающих на обра­батываемую поверхность, радиационные дефекты незначительны.

Химический механизм травления обусловливает наличие бою> вой скорости травления, что является недостатком при локаль­ной обработке. К недостаткам плазмохимического травления мож­но также отнести: ограниченное количество соединений для полу­чения в плазме химически активных частиц, обеспечивающих об­разование летучих веществ; сложность химических реакций, про­текающих в плазме и на обрабатываемой поверхности; большое число взаимосвязанных технологических и конструктивных пара­метров. Последние трудности преодолеваются по мере изучения и освоения процессов.

Реактивное ионное травление. Реактивное ионное (называемое также ионно-химическим) травление по механизму процесса яв­ляется комбинированным методом. Удаление обрабатываемого ма­териала происходит в результате его распыления ускоренными ионами и образования легколетучих соединений при взаимодей­ствии с химически активными частицами плазмы. От плазмохими­ческого травления оно отличается тем, что энергия ионов больше и достаточна для распыления, а от ионного травления — тем, что используется не инертная, а содержащая химически активные частицы плазма. При этом физическое распыление интенсифици­рует химические реакции, а химические реакции, ослабляя меж­атомные связи на обрабатываемой поверхности, увеличивают ско­рости распыления.

По аналогии с ионным и плазмохимическим травлением реак­тивное ионное травление может выполняться при расположении обрабатываемых пластин (подложек) в плазме газового разряда (реактивное ионно-плазменное травление) или в вакууме и подвергаться воздействию пучка ионов, полученных в автономно расположенном источнике (реактивное ионно-лучевое травление). Для реактивного ионно-плазменного и ионно-лучевого травления применяют те же рабочие газы, что и для плазмохимического травления.

Оборудование для реактивного ионно-плазменного травления аналогично установкам ионно-плазменного травления. Пластины располагают на электроде, не изолированном от нижнего элект­рода (см. Рисунок 2.20). Реактивное ионно-лучевое травление выпол­няют в вакуумных установках, аналогичных установкам для ионно-лучевого травления (см. Рисунок 2.19).

Благодаря химическим реакциям реактивное ионное травление (и плазменное, и лучевое) обладает по сравнению с ионно-лучевым травлением большими скоростями (в 3 ... 15 раз) и избира­тельностью травления (в 2... 10 раз), а по сравнению с плазмо­химическим травлением меньшими скоростью травления (в 2... 3 раза) и боковой составляющей скорости при локальном травле­нии. Для уменьшения радиационных дефектов обрабатываемых образцов процессы травления проводят в режимах, обеспечиваю­щих превышение скорости удаления слоев за счет химических ре­акций над скоростями распространения дефектов, образующихся .вследствие ионной бомбардировки.