Введение к работе
Актуальность работы. Арсенид галлия (GaAs) является одним из наиболее востребованных материалов современной микро- и наноэлектроники благодаря сочетанию большой ширины запрещенной зоны и высокой подвижности носителей заряда. На его основе создается широкий спектр высокочастотных быстродействующих приборов и фотоэлектронных устройств. Этот материал также является базой для квантовой наноэлектроники на основе гетеропереходов в системе AlGaAs.
Очевидно, что вышеуказанные применения требуют высокоточного размерного структурирования поверхности подложек, что достижимо использованием только методов плазменного травления. В этой области широко применяется неравновесная низкотемпературная плазма галогеноводородов (и в частности НС1). В сравнении с фреонами (CFxCly), ВС13, СС14 и С12 плазма НС1 обеспечивает лучшие показатели чистоты, анизотропии, селективности и топологических характеристик процесса травления.
В технологии и литературе в последнее время большое внимание стали уделять бинарным газовым смесям. Используются как смеси активных газов друг с другом, так и их смеси с инертными (Не, Аг, Хе) и молекулярными (N2, О2, Н2) газами. Это обусловлено как достижением дополнительных технологических эффектов (стабилизация плазмы, снижение коррозии откачных средств, повышение экологической чистоты производства), так и появлением дополнительного канала контроля параметров плазмы за счет возможности варьирования начального состава смеси. В опубликованных работах отмечается, что Аг и Не в смесях с СЬ оказываются не просто инертными разбавителями, но и заметно влияют на кинетику плазмохимических процессов через изменение электрофизических параметров плазмы. Подобные исследования для плазмы НС1 не проводились - отсутствует информация по механизмам физико-химических процессов, формирующих стационарные параметры и состав плазмы в смесях НС1 с инертными и молекулярными газами. Это затрудняет разработку и оптимизацию технологических процессов на основе таких систем.
Цель работы. Выявление кинетических закономерностей и анализ возможных механизмов взаимодействия неравновесной низкотемпературной газоразрядной плазмы смесей НС1-Аг, НСІ-СЬ и НС1-Н2 с арсенидом галлия.
Работа выполнена по следующим направлениям:
-
Измерение электрофизических параметров плазмы (приведенная напряженность электрического поля, температура газа) в широком диапазоне внешних параметров разряда.
-
Модельный анализ влияния внешних параметров разряда на стационарный состав плазмы и плотности потоков нейтральных и заряженных частиц на обрабатываемую поверхность.
-
Установление взаимосвязей между задаваемыми параметрами плазмы (давление, ток разряда, начальный состав плазмообразующей смеси), скоростью травления и топологическими характеристиками обрабатываемой поверхно-
сти. Накопление данных по кинетическим характеристикам взаимодействия, анализ возможных механизмов травления. 4) Исследования спектров излучения плазмы в процессе травления. Установление взаимосвязей между интенсивностями излучения как активных частиц плазмы, так и продуктов травления с кинетическим характеристиками взаимодействия.
Научная новизна работы. При выполнении работы получены следующие новые результаты:
-
Проведен сравнительный анализ стационарных электрофизических параметров и состава плазмы смесей НС1-Аг, Н2, С12. Установлено, что разбавление НС1 аргоном и водородом сопровождается монотонным снижением плотности потока атомов хлора (Гсг), а в смеси НС1-С12 имеет место обратная ситуация. Показано также, что добавка аргона к НС1 вызывает рост плотности потока ионов (Г+), добавка С12 - снижение, а добавка Н2 не приводит к существенным изменениям этой величины.
-
Проведен сравнительный анализ кинетических закономерностей плазмо-химического травления GaAs в плазме смесей НС1-Аг, Н2, С12. Найдено, что во всем исследованном диапазоне условий основными химически активными частицами являются атомы хлора. Показано, что при любом фиксированном составе смеси взаимодействие атомов хлора с GaAs протекает стационарно, по первому кинетическому порядку по их концентрации в газовой фазе.
-
Установлено, что в смесях НС1-Аг при 0-100% Аг и НС1-С12 при 0-70% С12 тенденции изменения эффективной вероятности взаимодействия (у) и величины Г+ являются противоположными. Причиной этого может быть изменение скорости ионно-стимулированной десорбции атомов хлора. Снижение величины у в смеси НС1-С12 при [С12] > 70% предположительно связано с заполнением активных центров не реагирующими молекулами С12. Найдено, что в смеси НС1-Н2 имеет место резкое снижение величины у при Г+ « const. В условиях роста плотности потока атомов водорода, данный эффект может быть обусловлен конкуренцией процессов взаимодействия с поверхностью и рекомбинации атомов хлора.
-
Найдено, что во всех исследованных смесях температурные зависимости скоростей и вероятностей взаимодействия подчиняются закону Аррениу-са. Эффективные энергии активации взаимодействия не зависят от начального состава смесей (8.8±0.4 кДж/моль в смеси НС1-Аг, 11.2±1.3 кДж/моль в смеси НС1-Н2и 14.6±4.1 кДж/моль в смеси НС1-С12) и являются характерными для реакций, лимитируемых гетерогенными адсорбци-онно-десорбционными процессами.
-
Показано, что шероховатость обработанной в плазме поверхности GaAs коррелирует с величиной, обратной скорости взаимодействия. Установлено, что технологически оптимальное сочетание скорости травления и шероховатости поверхности достигается в смеси НС1-Аг.
-
Проведена идентификация основных эмиссионных максимумов в спек-
трах излучения плазмы при травлении GaAs. Проанализирована возможность контроля состава плазмы и кинетики травления GaAs по излучению активных частиц и продуктов взаимодействия. Обнаружена линейная корреляция между скоростью травления и интенсивностью излучения резонансных линий Ga 403.3 нм и 417.3 нм.
Практическая ценность работы. Полученные результаты могут использоваться при разработке, автоматизации, оптимизации и моделировании процессов плазмохимического травления арсенида галлия, а также при построении механизмов и теоретических моделей физико-химических процессов в неравновесной низкотемпературной плазме смесей хлороводорода с аргоном, хлором и водородом.
Личный вклад автора. Все основные экспериментальные результаты по кинетике взаимодействия плазмы смесей с арсенидом галлия и эмиссионной спектроскопии получены лично автором. Автор принимал непосредственное участие в обработке результатов и подготовке публикаций. Он также принимал участие в обсуждении результатов по диагностике и моделированию плазмы смесей.
Апробация работы и публикации. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались на Российской конференции «Современные методы диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, 2010), I Всероссийской электронной научно-практической конференции-форуме молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей - 2011» (Красноярск, 2011), Всероссийской молодежной конференции «Успехи химической физики» (Черноголовка, 2011) и VI Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Зеленый городок, Ивановская область, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах (2 статьи в журналах из Перечня, рекомендованного ВАК) и тезисы 6 докладов на конференциях различного уровня.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, методической части, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы (90 наименований). Материалы работы изложены на 111 страницах рукописного машинного текста и включают 11 таблиц и 58 рисунков.
