Введение к работе
Актуальность проблемы, Процессы плазмохимичсского травления в неравновесной низкотемпературной плазме хлора и хлорсодержащих газов используются в технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, для формирования рисунка печатных плат. Применение в качестве плазмообразующих сред хлора и его производных обусловлено, во-первых, получением более высокой анизотропии при травлении кремниевых структур по сравнению с традиционными фторсодержашими газами, и, во-вторых, возможностью плазмохимического травления ряда металлов (медь, алюминий) и сложных полупроводников (арсенид галлия и др.), которые не взаимодействуют с фторсодержащей плазмой.
В последние годы обнаружено, что при разбавлении хлора инертным газом скорость травления ряда неорганических материалов не только не уменьшается, но и в некоторых случаях возрастает. Этот эффект представляет большой технологический интерес, так как позволяет снизить расход газа-реагента без существенного уменьшения скорости травления, продлить срок службы откачных систем, уменьшить г.ыброс токсичных веществ в атмосферу.
Широкое применение хлора и его смесей с инертными и молекулярными газами в технологии плазмохимического травления сдерживается недостатком сведений о кинетике и механизмах протекающих реакций, данных по коэффициентам скоростей (вероятностям взаимодействия),. позволяющих прогнозировать характер, направление и скорость процесса. Поэтому исследования кинетики и механизмов травления арсенида галлия, кремния и меди в плазме хлора и его смесей с инертными и молекулярными добавками представляют интерес не только с точки зрения их практического применения, но и способствуют развитию теории гетерогенных процессов в неравновесной плазме, что и определяет актуальность данной работы.
Целью работы являлось изучение закономерностей плазмохимического травления арсенида галлия, меди и кремния в чистом хлоре и его смесях с аргоном, азотом, кислородом и водородом в тлеющем разряде, выявление механизмов взаимодействия и влияния инертных и молекулярных добавок на скорость травления, определение возможности использования эмиссионной спектроскопии для исследования кинетики и контроля скорости процесса.
Научная новизна. В работе впервые:
1. Проведены систематические исследования взаимодействия плазмы
хлора с арсенидом галлия, кремнием, медью при различных давлениях газа,
токах разряда и температурах. Определены лимитирующие стадии процесса,
которыми для кремния и арсенида галлия при низких температурах является
десорбция продуктов реакции с поверхности, а для меди - диффузия
реагирующих частиц в слое продукта. При более высоких температурах для
всех трех объектов скорость взаимодействия лимитируется химической
реакцией на чистой от продуктов поверхности. Вычислены эффективные
энергии активации указанных стадий.
2. Проанализирована специфика взаимодействия различных материалов с
плазмой хлора, показано, что основными реагирующими частицами при
взаимодействии плазмы хлора с арсенидом галлия являются атомы хлора, а
роль ионов сводится к дополнительной очистке активных центров. Медь
эффективно взаимодействует как с атомами, так и с молекулами хлора и
влияние ионной бомбардировки на этот процесс минимально. В случае
кремния заметные скорости взаимодействия наблюдаются лишь при
размещении образца на катоде в условиях интенсивной ионной
бомбардировки.
3. Вычислены коэффициенты скорости (вероятности) взаимодействия
атомов хлора с арсенидом галлия и суммарные вероятности взаимодействия
атомов и молекул хлора с медью при различных температурах.
4. Детально проанализированы спектры излучения плазмы при травлении
арсенида галлия, кремния и меди в хлоре и смесях хлора с аргоном,
водородом, кислородом и азотом, идентифицированы основные молекулярные
полосы продуктов реакции. Выявлены корреляции между интенсивностью
излучения продуктов реакции и скоростью травления меди, арсенида галлия и
кремния как в чистом хлоре, так и в смесях, что позволяет эффективно
использовать эмиссионную спектроскопию для исследования кинетики
процесса.
5. Проведены систематические исследования по травлению арсенида
галлия в смесях хлора с азотом, кислородом и водородом. Найдено, что при
20% содержании азота и водорода имеет место эффект увеличения скорости
травления, а при разбавлении хлора кислородом скорость процесса монотонно
уменьшается из-за окисления поверхности. Изучено влияние аргона на
кинетику взаимодействия меди, арсенида галлия, кремния с хлором в
тлеющем разряде. Для всех трех объектов разбавление хлора аргоном
вызывает увеличение- скорости процесса с максимумом при содержании последнего около 40-60% с последующим медленным уменьшением.
6. Показано, что эффект увеличения скорости травления при разбавлении хлора имеет общин характер и проявляется независимо от природы добавки (аргон, азот, водород), от обрабатываемого материала (арсенид г&тлия, медь, кремний) и от места расположения образца (в плазме под плавающим потенциалом, на катоде) и определяется гетерогенными стадиями процесса.
7. Предложена модель, согласно которой эффект увеличения скорости травления при разбавлении хлора инертными или молекулярными газами объясняется активирующим действием ионной бомбардировки на лимитирующую стадию процесса - очистку поверхностных активных центров от продуктов взаимодействия. Вычислены выходы процесса очистки активных центров, значения которых составили от 4 до 170 частиц на ион, что для десорбцнонных процессов представляется разумным и не противоречит литературным данным.
Практическая ценность работы. Данные о механизмах и кинетических закономерностях взаимодействия плазмы хлора и его смесей с инертными и молекулярными газами могут быть использованы при разработке, автоматизации, и оптимизации прессов плазмохнмического травления неорганических материалов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации
докладывались на IV Всероссийской студенческой научной конференции
"Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Екатеринбург, 1994),
научно-технической конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994),
научно-технической конференции ИГХТА (Иваново, 1995), 11-м
Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии
(ISTAPC-95) (Иваново, 1995), Международной научно-технической
конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (ВИП-95) (Москва,
1995), 1-ой Региональной межвузовской конференции "Актуальные проблемы
химии, химической технологии и химического образования "Химия-96"
(Иваново, 1996), Межвузовской научно-тенической конференции
"Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1996), научной конференции Ивановского государственного университета "Молекулярная физика неравновесных систем" (Иваново, 1997), Международной научно-технической конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (ВИП-97) (Москва, 1997), Международной научно-технической конференции "Перспективные химические технолс. ии и материалы" (Пермь, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 149 страниц, рисунков - 45, таблиц - 12. Библиография включает 138 наименований.