Механизм формирования химически активной плазмы.

Успешное проведение процессов ПХТ и ИХТ в основном определяется правильным выбором рабочего вещества: газа или смеси газов. В качестве рабочих веществ используются главным образом разом галогеносодержащие газы, легколетучие жидкости, кисло­род и водород. Кислород и галогены — наиболее сильные окисли­тели, водород — эффективный восстановитель. Радикалы и ионы, образующиеся в электрическом разряде на этих газах, способны взаимодействовать практически со всеми материалами.

Необходимо, чтобы энергетические частицы реактивной плаз­мы образовывали с обрабатываемыми материалами летучие сое­динения при достаточно низких температурах. Их испарение с по­верхности и последующая откачка обеспечивают необходимое уда­ление обрабатываемого материала. Формирование нелетучего со­единения останавливает или значительно затормаживает процес­сы ПХТ и ИХТ.

Для травления кремния и кремнийсодержащих соединений, ме­таллов и других материалов используются различные виды хладонов, СС1₄, SiF₄, XeF₂, SF₆, BC1₃, NF₃ и их смеси с кислородом, азотом, инертными газами. При плазмохимическом удалении фоторезиста (сжигания) с подложек основным рабочим газом явля­ется кислород. Возможность использования водородной плазмы для ПХТ и ИХТ определяется тем, что атомы водорода образуют со многими материалами летучие гидриды. Водород, в отличие от галогеноуглеродов, не вызывает деградацию вакуумных масел, что увеличивает срок служб откачных средств вакуумной системы.

Наиболее широко галогеносодержащие рабочие вещества для ПХТ и ИХТ представлены в виде галогеноуглеводородов, в основ­ном хладонов. Хладоны, или фреоны, представляют собой галогеноуглеродные жидкости или легколетучие газы в нормальных ус­ловиях. Они высокостабильны и в химическом отношении мало реакционноспособны. Например, хладон-12 CF₂C1₂ нетоксичен, не реагирует с концентрированными минеральными кислотами и ме­таллическим натрием. Необходимые для осуществления процес­сов травления атомы галогенов в хладонах прочно связаны с уг­леродом.

Хладоны (фреоны) получили свое название от слова frigor (холод), поскольку они широко применяются в качестве рабочих веществ в холодильных машинах. Принята следующая система ус­ловного обозначения хладонов. Последняя цифра (число еди­ниц) означает число атомов фтора в молекуле хладона, предше­ствующая (число десятков) число атомов водорода, увеличенное на единицу, а третья от конца (число сотен) — число атомов угле­рода, уменьшенное на единицу. Число атомов хлора, которые мо­гут входить в состав молекулы хладона, равно числу недостающих атомов до формулы .

При наличии изомеров, отличающихся характером связей ато­мов в молекуле при постоянном их числе, симметричный изомер обозначается только номером, а асимметричный записывается с дополнительной буквой А. Например, CC1F₂ — CC1F₂ называется хладоном-114, а изомер CC1₂F — CF₃ хладоном-114 А..

В состав молекулы хладонов может входить еще один гало­ген — бром. У бромсодержащих хладонов после номера, соответствующего принятой системе обозначений, ставится буква В с циф­рой, указывающей число атомов брома в молекуле. Например, CBrF₃ —хладон-13В1, C₂Br₂F₄ — хладон-114В2, C₂HClF₃Br — хладон-123В.

Если хладон представляет собой циклическое соединение, пе­ред его номером ставится буква-С. Например, ц = C₄F₈ — хладон-С318. Если в молекуле хладона число атомов фтора равно де­сяти или более, то последние две цифры номера отделяются от предыдущих дефисом. Например, C₄F₁₀ — хладон-31-10 или ц = C₆F₁₂ — хладон-С5-12. В табл. 2 приведены марки, химические наименования, химические формулы, температуры испарения и энергии диссоциации связей в молекулах рабочих веществ, имею­щих наибольшее применение в процессах ПХТ и ИХТ.

Таблица 2. Характеристики некоторых рабочих веществ, используемых в процессах ПХТ и ИХТ

Наименование	Марка	Формула	Температура испарения, К	Энергия диссоциации связи, , Дж
Дифтордихлорметан	Хладон-12	CCl2F2	243,2	С-F 5,6 С-Cl 5,4
Тетрафторметан	Хладон-14	CF4		-
Трифтортрихлорэтан	Хладон-113	C2Cl3F3	320,7	CClF2-CCl2F2 7,4
Гексафторэтан	Хладон-116	C2F6	194,8	CF3-CF3 6,4
Фтордихлорметан	Хладон-21	CHCl2F	281,9	-
Трифторметан	Хладон-23	CHF3	187,6	CF3-H 6,6 C-F 7,8
Трифторбромметан	Хладон-13В1	CF3Br	212,0	С-Br 5,0
Гексафторид серы	-	SF6	302,0	-
Тетрахлорметан	-	CCl4	349,8	-
Хлор	-	Cl2	239,0	Сl-Cl 4,0
Водород	-	H2	14,0	H-H 7,2
Кислород	-	O2	90,0	O-O 8,3
Фторид азота	-	NF3	144,0	-
Хлорид брома	-	BCl3	-	-

На примере типичного для процессов ПХТ и ИХТ рабочего вещества хладона-14 рассмотрим процесс формирования ре­активных частиц плазмы и методы управления газофазными реакциями для обеспечения необходимого состава реактивных ча­стиц.

В результате взаимодействия электронов с молекулами CF₄ в разряде происходит диссоциация и ионизация молекул. Это при­водит к образованию химически активных частиц плазмы. Пред­полагаемые реакции протекают по схеме [3, 14]:

Для образования иона 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 иона F" велика, так как у фтора боль­шое сродство к электрону Дж (3,52 эВ) и для атома фто­ра энергетически выгодно присоединение электрона. Однако эта реакция будет иметь продолжение:

Таким образом, в соответствии с двумя последними реакция­ми в разряде происходит образование свободных радикалов фто­ра и фторуглерода CF₃· (правильней писать ·CF₃, так как свобод­ные связи остаются у углерода). Эти частицы являются основны­ми реактивными частицами образующейся плазмы CF₄.