 |
Электрические явления в вакууме
|
|
|
|
ЗНАКОМСТВО С ВАКУУМНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ ПЛАЗМЕННОГО ИОННО-ХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ В ИНДУКТИВНО СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМЕ «Caroline РЕ15» И ИСЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ТРАВЛЕНИЯ ПЛЕНОК И ПОДЛОЖЕК ИЗ НЕОРГАНИЧИСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Электронное учебное пособие
Рассмотрены физические основы плазменного ионно-реактивного травления материалов, разновидности систем плазменного травления, в т. ч. установки с индуктивно связанной плазмой на примере установки «Caroline PE15». Исследованы технологические режимы травления основных материалов микроэлектроники.
Содержание
Введение........................................................................................................................................ 5
1. Физика плазмы.......................................................................................................................... 7
1.1. Электрические явления в вакууме................................................................................... 7
1.2 Несамостоятельный и самостоятельный разряд............................................................ 10
1.3 Тлеющий разряд................................................................................................................ 11
2. Воздействие плазмы на материалы....................................................................................... 12
2.1. Внедрение энергетических ионов в материалы........................................................... 12
2.2 Нарушение структуры материалов при ионной обработке.......................................... 15
2.3 Ионное распыление.......................................................................................................... 16
2.4 Характеристика частиц, эмитируемых в процессе ионного распыления.................. 18
2.5 Формирование рельефа на поверхности материалов в процессе распыления........... 19
2.6 Влияние среды на процесс ионного распыления.......................................................... 20
2.7 Химическая связь и некоторые представления о кинетике химических реакций.... 22
|
|
|
2.8 Механизм формирования химически активной плазмы.............................................. 25
3. Высокочастотный разряд и его характеристики................................................................. 28
3.1 Периодические разряды. Плазма ВЧ и СВЧ разрядов.................................................. 28
3.2 Плазма электрон-циклотронного резонанса (ЭЦР-плазма).......................................... 34
4. Основные характеристики плазменного травления и их зависимости от условий проведения процесса....................................................................................................................................................... 38
4.1 Скорость травления.......................................................................................................... 38
4.2 Селективность................................................................................................................... 43
4.3 Направленность – анизотропность процесса травления.............................................. 45
4.4 Равномерность................................................................................................................... 47
5. Разновидности систем плазменного травления и их особенности................................... 48
5.1 Ионно-плазменное травление ИПТ................................................................................ 48
5.2 Реактивное ионное травление РИТ................................................................................. 52
5.3 Плазмохимическое травление ПХТ................................................................................ 54
5.4 Реактивное ионное травление с источником индуктивно связанной плазмы (ICP etch). 59
6. Применение ICP источников плазмы на примере промышленной установки Caroline РЕ15 62
6.1. Назначение и устройство установки. Основные технические характеристики....... 62
6.2 Основные блоки и модули установки............................................................................ 67
6.3 Работа установки в автоматическом режиме................................................................. 70
Заключение.................................................................................................................................. 88
Список литературы..................................................................................................................... 89
Введение
Ионно-плазменная обработка основана на взаимодействии ионов и других энергетических частиц, полученных в низкотемпературной плазме, с поверхностью твердого тела. Результатом взаимодействия потока частиц в разряженной среде с поверхностью является осажденная пленка из части удаленного вещества или преобразованная поверхность. Это дает возможность применять процессы ионно-плазменной обработки для нанесения пленок разнообразных материалов, очистки, полировки, травления и формирования прецизионных технологических рисунков в производстве полупроводниковых приборов и микросхем, резисторов, конденсаторов, фотошаблонов, пьезокварцевых приборов и т. п. Сфера применения ионно-плазменной обработки распространяется на другие области техники, например оптику и машиностроение, где она используется для получения полированных поверхностей, упрочнения инструмента, защиты поверхностей износо- и коррозионостойкими покрытиями и т. п.
|
|
|
Одной из разновидностей ионно-плазменной обработки является плазменное или “сухое” травление материалов, широко применяемое в оптике и микроэлектронике. Среди широкого класса таких устройств особенное место занимают источники плазмы высокой плотности на основе ВЧ-разряда, формируемые так называемую трансформаторно-связанную (или индуктивно-связанную) плазму (принятая латинская аббревиатура TCP или ICP – Inductively Coupled Plasma). ICP-разряд позволяет травить материалы разрешением менее 0,2 мкм и осаждать слои из паро-газовых смесей (плазменно-стимулированный CVD-процесс)., обеспечивая при этом высокую эффективность и качество проведения процесса [1].
Существуют и другие принципы создания плазмы: устройства на электронном циклотронном резонансе ЭЦР (ECR), а также геликонные источники плазмы [1]. По сравнению с ними ICP-плазма обладает определенными преимуществами: является более дешевой, отсутствует необходимость создавать мощные магнитные поля и применять мощные генераторы электрического поля, большая однородность плазмы при увеличении объема обрабатываемых подложек. Также в литературе [3, 14, 35-38] встречаются другие определения ICP-плазмы: плазмохимическое травление (ПХТ), реактивное ионное травление в индуктивно связанной плазме (ICP-RIE), реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ). Все это – конструктивные особенности устройств, предназначенных для реализации метода плазменного травления. Все они имеют некоторые особенности физико-химических процессов, происходящих при взаимодействии плазмы с различными материалами. В настоящей работе мы будем пользоваться терминами ПХТ и ICP.
|
|
|
В сухом плазменном травлении, плазма высокой плотности используется при низком давлении для высокоскоростного травления кремния, поликремния, а также не стандартных материалов, таких как кварц или стекло.
Весьма перспективной областью применения ICP-плазмы является нанотехнология, в частности технология изготовления микропроцессоров и микроконтроллеров со сверхразрешением, наноструктурированных материалов, дифракционных оптических элементов ДОЭ, работающих в УФ области.
В настоящее время внимание разработчиков технологического оборудования направлено на изучение высокочастотных источников плазмы высокой плотности, которые позволяют методом ионно-плазменного травления получать высокую однородность травления подложек с высокой селективностью.
Все это делает актуальным вопрос дальнейшего развития техники и технологии травления различных материалов с заданными параметрами в различных отраслях промышленности с использованием индуктивно-связанной плазмы высокой плотности.
Физика плазмы.
Электрические явления в вакууме
В обычных условиях газ электрического тока не проводит, так как состоит из нейтральных молекул. Чтобы газ стал электропроводным, необходимо ионизировать часть молекул [16, 23].
Ионизацией молекулы называется отрыв от молекулы одного или нескольких электронов. Для ионизации молекулы необходимо совершить работу 
, величина которой зависит от химического состава газа, состояния молекулы и кратности ионизации, т. е. числа оторванных электронов.
Ионизация газов может быть вызвана нагреванием, воздействием рентгеновских, ультрафиолетовых, космических лучей, бомбардировкой газа быстрыми электронами и т. п. При постоянной мощности ионизатора число 
молекул, ионизируемых в единице объема за 1 секунду, постоянно, поэтому концентрация электронов и ионов с течением времени возрастает.
|
|
|
Одновременно с ионизацией молекул происходит рекомбинация ионов, т. е. образование нейтральных молекул из электронов и ионов [23]. Рекомбинация происходит тем интенсивней, чем больше концентрация электронов и ионов, и сопровождается выделением энергии, равной работе ионизации. Выделение энергии обычно происходит в виде электромагнитного излучения.
При некоторой концентрации число ионизируемых молекул равно числу вновь образующихся вследствие рекомбинации молекул. В этом случае между процессами ионизации и рекомбинации устанавливается равновесие, а концентрация электронов и ионов остается постоянной.
Среднюю длину свободного пути электронов в вакууме можно вычислить по формуле [42]:
, (1.1)
Где 
- концентрация молекул газа; 
- эффективный диаметр молекулы газа; 
- средняя длина свободного пути электронов.
Рассмотрим теперь соударение частицы (электрона или иона) с молекулой. Если это соударение имеет упругий характер, то при столкновении меняется лишь кинетическая энергия молекулы. При этом газ нагревается, а ионизации не происходит. Если же удар неупругий, то часть энергии частицы передается электронной оболочке молекулы и вызывает возбуждение молекулы или ее ионизацию.
Пусть молекула массой 
, имеющая скорость 
, налетает на неподвижную молекулу массой 
, неупруго сталкивается с ней. По закону сохранения импульса
, (1.2)
где 
– скорость молекулы и частицы после удара. Отсюда
. (1.3)
Энергия частицы до удара
. (1.4)
Энергия частицы и молекулы после удара
. (1.5)
С учетом (1.3)
.
Молекула ионизируется, если 
.
Значит
.
Отсюда следует, что частица ионизирует молекулу, если ее кинетическая энергия перед ударом равна
, (1.6)
так как масса электрона 
<< 
, а масса иона 
, то из (1.6) следует, что для ионизации молекулы электрон должен иметь энергию 
, а ион ¾ энергию 
.
Ионизация молекул остаточных газов с образованием свободных электронов и положительных ионов возможна при воздействии на молекулу 
-, 
- и 
- излучения с энергией, превышающей энергию ионизации соответствующих газов (Таблица 1) [11,14].
Таблица 1. Энергия ионизации некоторых газов
| He | Ne | Ar | CO | 
| 
| |
| Энергия ионизации, эВ | 14,5 | 24,6 | 21,6 | 15,8 | 14,1 | 12,6 | 13,6 |
Часто для ионизации остаточных газов используется электронная бомбардировка. Процесс ионизации остаточных газов характеризует эффективность ионизации молекул 
, т. е. число пар ионов образованных одним электроном на пути в 1 м при давлении 1 Па. Зависимость от ускоряющего напряжения (рис. 1.1) имеет характерный максимум, соответствующий энергиям электронов 100…150 эВ. Молекулы с большим атомным числом имеют более высокие значения эффективности ионизации [14, 25].
|
|
|
Электропроводность газового промежутка при самостоятельном разряде (без дополнительных ионизирующих излучений) зависит от давления. Газ всегда содержит свободные электроны, появляющиеся, например, при взаимодействии с космическим излучением. При низком вакууме в связи с малой длиной свободного пути эти электроны под воздействием электрического поля не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул газа. Электропроводность газа в таких условиях мала.
Рис 1.1. Зависимость эффективности ионизации молекул газов электронной бомбардировкой от ускоряющего напряжения
При высоком вакууме в связи с малым количеством заряженных частиц электропроводность газового промежутка еще меньше.
В области среднего вакуума наблюдаются небольшие значения электропроводности газа. В этих условиях свободные электроны осуществляют ионизацию молекул остаточных газов, а образующиеся при этом вторичные электроны поддерживают самостоятельный разряд.
Электросопротивление газового промежутка может характеризоваться пробивным напряжением, которое зависит от природы газа, расстояния между электродами и давления. Пробивное напряжение от произведения давления газа на расстояние между электродами, а не от каждого из этих параметров в отдельности. Зависимость пробивного напряжения от произведения pd, где d – расстояние между электродами, показано на рис. 1.2 и имеет характерный минимум под названием кривой Пашена [11,42].
Рис 1.2. Зависимость пробивного напряжения от произведения давления газа на расстояние между электродами
Прохождение электрического тока через разреженные газы в области среднего вакуума сопровождается свечением газа, зависящим от рода газа и давления. Это явление используется для качественного определения и состава газа.
|
|
|
