Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-химические особенности процессов плазмохимического травления 11
1.1. Анизотропное травление 12
1.2. Удаление и травление фоторезиста 30
1.3. Влияние плазменных обработок на зарядовые характеристики структур 38
1.4. Безэлектродный разряд низкого давления 45
Глава 2. Плазмохрімическое удаление фоторезиста вне зоны локализации разряда 58
2.1. Особенности ПХУ фоторезиста в системах с индивидуальной обработкой пластин 58
2.2. Исследование характера локализации плазмы при высоком давлении 65
2.3. Разработка реактора высокого давления для ПХУ фоторезиста с пластин большого диаметра 75
Глава 3. Реактор высокоплотной плазмы и технологические процессы реализуемые в нем 99
3.1. Исследование ВЧ-разряда низкого давления в системе с индукторным возбуждением 99
3.2. Оптимизация технологического процесса ПХУ фоторезиста в реакторе высокоплотной плазмы 113
3.3. Удаление органо - неорганических остатков после реактивно — ионного травления технологических слоев 128
3.4. Изотропное травление диэлектрика 133
Глава 4. Реактор и технологические процессы иошо-стимулированного травления 138
4.1. Реактор с активизацией газа при низком давлении и независимым смещением на подложке 138
4.2. Разработка технологического процесса анизотропного травления кремния 144
4.3. Теоретический расчет профиля травления канавок в кремнии...154
4.4. Сухое проявление фоторезистивных пленок 160
Основные результаты и выводы 170
Литература 173
Приложения 187
- Влияние плазменных обработок на зарядовые характеристики структур
- Исследование характера локализации плазмы при высоком давлении
- Удаление органо - неорганических остатков после реактивно — ионного травления технологических слоев
- Разработка технологического процесса анизотропного травления кремния
Введение к работе
Актуальность. В экскаваторо- и краностроении наряду с рам
ными, решетчатыми и коробчатыми конструкциями находят примене
ние пластинчато-стержневые элементы конструкций, состоящие из
поясов, распорок и диафрагмы, установленной в пространстве между
поясами. Пластинчато-стержневые элементы конструкций более тех
нологичны в изготовлении, обладают значительной жесткостью в про
дольной плоскости и имеют относительно малый вес по сравнению с
рамными конструкциями. Исследования показывают, что в процессе
эксплуатации в пластинчато-стержневых стрелах кранов и мощных
* экскаваторов возникают характерные усталостные трещины в местах
соединения поясов с распорками, в диафрагме и окаймляющих ее реб
рах жесткости.
4 Определение ресурса пластинчато-стержневых элементов стре-
ловых конструкций экскаваторов и кранов на стадии проектирования до сих пор не проводятся из-за отсутствия методик определения действительных напряжений в опасных сечениях при случайных продольно-поперечных колебаниях.
Существующие нормативные методики расчета пластинчато-стержневых элементов конструкций позволяют производить расчеты на прочность и устойчивость только при действии статических нагрузок. При учете динамических нагрузок используются соответствующие коэффициенты запаса. Завышение значений коэффициентов запаса прочности приводит к увеличению веса конструкций, стоимости машин и ограничивает область применения пластинчато-стержневых элементов конструкций. Кроме того практика показывает, что усиление пластинчато-стержневых элементов конструкций в местах возникновения трещин за счет увеличения площадей поперечного сечения элементов или установки дополнительных ребер жесткости не исключает возникновения дефектов в дальнейшем.
Актуальным является разработка методики моделирования напряженно-деформированного состояния пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций при случайных нагружениях, позволяющей определять их ресурс на стадиях эксплуатации и проектирования, и методики оптимизации параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методики определения ресурса и оптимизации пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов.
Научную новизну составляют:
-результаты экспериментальных исследований процессов на-гружения одноковшовых экскаваторов при разработке неоднородных фунтов;
-методика моделирования нафузок на стреловую конструкцию экскаватора при копании неоднородных фунтов;
-методика поэтапного динамического расчета пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов, позволяющая производить расчет на прочность и циклическую долговечность, определять действительный ресурс для заданных условий эксплуатации;
-методика оптимизации параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов при заданных режимах нафужения.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в создании алгоритмов определения пульсирующей случайной нафузки, динамического расчета, выборе алгоритмов оптимизации параметров и определения ресурса пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов, реализованных в виде пакета прикладных профамм для персональных ЭВМ «Оптимизация стреловых конструкций и автоматизация расчетов».
Обоснованность и достоверность результатов. Проведены натурные экспериментальные исследования карьерных экскаваторов ЭКГ-15ХЛ в условиях разрезов ПО «Кемеровоуголь» при копании взорванных горных пород. На основе результатов статистической обработки экспериментальных данных проведено моделирование процессов нафужения. Полученные результаты подтвердили правильность методик расчета, разработанных в настоящей работе.
Реализация работы. Результаты работы включены в профамм-ный комплекс «Оптимизация стреловых конструкций и автоматизация расчетов -ОСКАР», разработанный на кафедре строительных и дорожных машин Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции секции строительных машин в Новосибирской государственной академии строительства в
1997г., на научно-технической конференции Восточно-Казахстанского технического университета в 1998г., на научно-технических конференциях Томского государственного архитектурно-строительного университета в 1999 и 2002гг., на международной научно-технической конференции Интерстроймех-2002 в Могилевском государственном техническом университете.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 137 наименований и приложения. Общий объем работы 235с, в том числе основной текст - 118 с, приведены 84 рисунка и 18 таблиц.
Влияние плазменных обработок на зарядовые характеристики структур
В процессе плазмохимического травления обрабатываемые поверхности подвергаются одновременному воздействию положительных и отрицательных ионов, электронов, нейтральных атомов, радикалов и фотонов. В результате этого воздействия может происходить деградация, зарядовых свойств системы Si02-Si
Было установлено [74], что при бомбардировке окисленной поверхности кремния частицами из плазмы увеличивается фиксированный и подвижный заряды в диэлектрике, меняется плотность поверхностных состояний на границе раздела SiCVSi, возрастают токи утечки через диэлектрик. Накапливаясь на поверхности, индуцированный плазмой заряд может изменять электрические характеристики структур S1O2-S1, ухудшая параметры готовых приборов. Как правило, наблюдается снижение пробивного напряжения р-n перехода. Может произойти инверсия типа проводимости надбазовой области, особенно, если база слабо легирована, появится канал от эмиттера к коллектору. Большая плотность поверхностных состояний, при наведенном дополнительном заряде, уменьшает коэффициент усиления по току коллектора, повышает уровень шумов и коллекторные утечки [75].
На C-V характеристиках структур Si02-Si, подвергнутых плазмохимической обработке, наблюдается изменение наклона и увеличение разброса значений напряжения плоских зон. Обычно это напряжение может меняться от 3 до 10 В, а разброс от прибора к прибору на одной пластине -порядка нескольких вольт [75].
В работе [76] отмечается, что индуцированный плазмой заряд локализован вблизи границы раздела Si02-Si. Величина индуцированного заряда не зависит от толщины термического окисла. Существенную роль играет температура образца, причем, возрастание и неоднородность по площади величины QSS3 DO наблюдали при температурах выше 373 К.
Эксперименты показали [77], что в результате плазменной обработки глубина нарушенного слоя значительно превосходит слой, в котором можно ожидать внедрение ионов согласно их энергиям. Это указывает на необходимость учета диффузионных явлений в процессе плазмохимического травления.
Исследование влияния плазмохимического травления на поверхность раздела SiC -Si показало еще некоторые последствия плазменного воздействия. Было получено [78,79], что МОП-структуры на пленках Si02, нанесенных на травленую в плазме поверхность, имеют увеличенную плотность поверхностных состояний и измененный заряд плоских зон. Кроме этого, травление в плазме создает центры рекомбинации в приповерхностном слое кремния, которые приводят к сильному сокращению времени жизни и кажущемуся увеличению концентрации примеси из-за искажения минимума C-V - кривых МОП-структур.
По мнению авторов [78], изменение емкости, увеличение ее, вероятно, связано с изменением концентрации основных носителей в приповерхностном слое полупроводника и свидетельствует о возникновении при обработке в плазме приповерхностного инверсионного слоя. Аналогично, и в работе [79] сообщается о том, что плазменное травление различными ионами может увеличивать или уменьшать скорость поверхностной рекомбинации.
Деградация зарядового состояния системы Si02-Si в результате воздействия ВЧ-плазмы аналогична изменению этих свойств при бомбардировке ионами низкой энергии (Е 5кэВ) и одновременной бомбардировке ионами и электронами [80].
Облучение системы Si02-Si положительными ионами может вызвать: - пробой диэлектрика, - образовать подвижный заряд, - создать фиксированный заряд, - образовать поверхностные состояния, - вызвать захват ионов пленкой. Было установлено, что бомбардировка положительными ионами вызывает уменьшение электрической прочности пленок SiC 2 и при дозе облучения выше 1014 см"2 может происходить их пробой. Если пленка SiC 2 бомбардируется ионным пучком, максимальное поле, возникающее в окисле, не зависит от его толщины и в отсутствии других факторов дозы облучения ионами порядка 10 см вполне достаточно для того, чтобы вызвать пробой в бомбардируемых пленках.
При изучении влияния бомбардировки пленок SiC 2 ионами Аг+, N и N 2 с энергией 5-ь2800эВ было получено, что она приводит к образованию подвижного заряда. По мнению авторов [80], подвижный заряд, главным образом, образуется при передаче энергии бомбардирующих ионов неподвижным атомам примеси в окисной пленке. Такая ионная бомбардировка создает подвижный заряд с эффективностью от 0,05 до 0,002 на один падающий ион, в зависимости, от его энергии и количества способных становиться подвижными атомов примесей, расположенных вблизи поверхности окисной пленки.
Предложенная модель взаимодействия ионов с поверхностью диэлектриков детально описывает процессы нейтрализации ионизации. Согласно этой модели, примеси на поверхности SiC 2, такие, например, как натрий, в результате процесса нейтрализации налетающих ионов могут становиться подвижными и дрейфовать в пленке SiC 2 под влиянием образующегося на поверхности электрического поля. Так, если ион приближается к поверхности и проходит вблизи такого комплекса как = Si-0 -Na+ или .= Si-OVE-Ґ он может захватить электрон, связанный с примесью, в процессе нейтрализации. Если же ион встретит область без примеси, например, = Si-O- Si, то в процессе нейтрализации может образоваться дырка.
Ионы Na+ и ЬҐ, образующиеся в результате нейтрализации бомбардирующих ионов, переходят из связанного состояния в свободное и под действием электрического поля, обусловленного встроенным положительным зарядом, перемещаются от поверхности в глубь пленки.
Исследование характера локализации плазмы при высоком давлении
В условиях эксплуатации реактора установки "Плазма-НД125Ф" требование повышения скорости удаления фоторезиста и необходимость снижения числа электростатических пробоев образцов находятся в определенном противоречии. Несмотря на удаление зоны травления от зоны активации рабочего газа (кислорода), при повышении скорости удаления путем увеличения энерговклада в разряд наблюдается распространение плазмы ВЧ разряда в область образца и повышение ее потенциала в этой области, а следовательно, и вероятности пробоев. Примерно то же самое происходит и при сближении зоны активации и зоны травления.
Оптимальная конструкция камеры должна обеспечивать не только стабильное существование разряда при оптимальном рабочем давлении (порядка 10 Па), но и такую локализацию плазмы, при которой минимальным потерям химически активных частиц при транспортировке газопотоком из зоны активации соответствовал бы минимальный потенциал плазмы вблизи образца. Требование минимальности потенциала плазмы относительно подложкодержателя связано с тем, что плазма при потенциале фп большем потенциала пробоя фх диэлектрических слоев образца, может служить источником напряжения, приводящего к пробою.
В исходном варианте реактора плазма возбуждалась при помощи ВЧ индуктора. Схема макета, имитирующего реальный реактор, приведена на рис.2.2.
На этом устройстве были изучены возможности получения ВЧ индукционного разряда в диапазоне давлений 5 - 1000 Па в воздухе и кислороде при использовании генераторов частотой 13,56 МГц мощностью 500 Вт и 1000 Вт.
Было установлено, что даже при оптимальном выборе числа витков индуктора (3 витка для трубы диаметром 55 мм) и оптимальной настройке согласующего контура не удается получить ВЧ напряжение Uj приходящееся на один виток индуктора, больше, чем 1,2 - 1,3 кВ. Последнее объясняется невысоким анодным напряжением ВЧ генератора (2 кВ) и значительными потерями потока магнитной индукции в контуре согласующего устройства. При таком ВЧ напряжении, питающем индуктор I, диапазон давлений индукционного разряда ограничен сверху значением 200 - 300 Па, Таким образом в реакторе установки "Плазма-НД125Ф" при числе витков индуктора, равном 4-5, и давлении, большем 1000 Па, ВЧ разряд существует в своей "предварительной", т.е. ВЧ емкостной фазе, возбуждаемой не магнитным полем катушки I, а ВЧ электростатическим полем ее витков, работающих как обычные ВЧ электроды. потенциалом; S3 - фланец системы откачки; Sn - подложкодержатель; I - индуктор; є - система ВЧ питания индуктора; а - зона активации газа ВЧ разрядом; б - зона травления. Для осуществления ВЧ индукционного разряда в этих условиях необходимо применение в согласующем устройстве установки специальных повышающих ВЧ трансформаторов с минимальными потерями и большим коэффициентом трансформации, либо использование принципиально другого схемного решения системы ВЧ питания индуктора. Величину потерь мощности в применяемом согласующем устройстве можно оценить хотя бы из того, что при общей ВЧ мощности в нагрузке генератора (включающей согласующее устройство и ВЧ разряд), равной 700 - 800 Вт, на долю ВЧ разряда приходится порядка 100 Вт мощности.
Учитывая, что ВЧ емкостной разряд в поле индуктора тем не менее обеспечивает необходимую эффективность удаления фоторезиста в рабочем режиме установки, было принято решение заменить индуктор обычным кольцевым электродом, находящимся под ВЧ потенциалом той же величины. Для контроля явлений "проваливания" ВЧ разряда из зоны активации в зону травления на макете (см. рис. 2.2.) были испытаны в сравнении фазометрический и зондовый методы контроля наличия плазмы. Схема фазометрических и зондовых измерений приведена на рис. 2.3. Описание электрических схем макетов устройств приведено в Приложении 1. Локализация плазмы перестраивалась путем изменения давления кислорода (или воздуха) в камере, а также путем перемещения индуктора I по трубе камеры активации. Несмотря на принципиальную работоспособность обеих методик очевидным преимуществом обладала зондовая методика контроля плавающего потенциала зонда, обеспечивающая высокую чувствительность, а также простоту технических средств и интерпретации измерений. Кроме того, плавающий потенциал зонда непосредственно связан с потенциалом плазмы, ответственным за пробои при фп , большем ф . Фазометрический метод, хотя и позволяет качественно судить о наличии плазмы в зоне обработки, однако сложен в техническом отношении, а показания фазометра трудно количественно связать со значениями параметров плазмы, при которых происходят пробои.
Ниже описаны результаты зондовых измерений параметров плазмы при изменении ее локализации в устройстве, полученные для макета, изображенного на рис. 2.4, и соответствующего модифицированной конструкции реактора с электродами. Закономерности, обнаруженные для устройства (см. рис. 2.2.) с индуктором, вполне аналогичны закономерностям, наблюдаемым в случае одного из вариантов устройства с электродами (см. рис. 2.4) , о чем будет сказано далее. питания Б5-50; А2 - устройство измерения плавающего потенциала зонда; A3 - фазометр ФК-2-12; S0 - кольцевой зонд; L1 - дроссель; L2 - пояс Роговского; СІ, С2 - емкостной делитель. Для устройства (см. рис. 2.4) возможны различные варианты соединения его электродов с землей относительно потенциального электрода S . В простейшем случае в нем отсутствует кольцевой электрод Sx . Тогда возможна простейшая интерпретация изменения локализации плазмы при изменении рабочего давления в камере в зависимости от схемы соединения остальных электродов и положения кольца S .
На рис. 2.5 приведены зависимости потенциала кольцевого зонда S0 (см. рис. 2.3) от давления Р в камере при различных значениях h в случае, когда электроды Si и S2 заземлены. Электрод S, и электроды Si и S2 образуют две токовых цепи, разветвляясь по которым ВЧ ток генератора поддерживает разряд. Каждой цепи соответствует свое значение расстояния между электродами (H0-h и h соответственно). В то же время, для ВЧЕ разряда между плоскими электродами на частоте 13,56 МГц характерно известное семейство кривых зажигания. Несколько типичных кривых зажигания разряда для воздуха, отвечающих различным расстояниям между электродами L, приведены на рис. 2.6. Применяя с определенными оговорками это семейство кривых для нашего случая, можно проинтерпретировать графики (см. рис. 2.5). При фиксированной амплитуде ВЧ напряжения Uo , питающего электрод S_, существование разряда в областях Si и S_ - S2 определяется пересечением кривых зажигания, соответствующих (H0-h) и h со значением Uo. В случае, например, когда (Ho-h) меньше h при увеличении давления Р от I Па до 103 Па, разряд раньше возникнет в области S,. -S2 и, соответственно, раньше в ней исчезнет. Максимальное давление, при котором еще существует разряд, будет определяться меньшим из расстояний, т.е. (Ho-h).
Удаление органо - неорганических остатков после реактивно — ионного травления технологических слоев
В результате реактивно-ионного травления диэлектрических слоев и металлизации на поверхностях протравленных структур остаются органо-неорганические остатки, наличие которых требует введения дополнительных операций очистки в маршруты изготовления ИС. Химическая стойкость этих остатков в ряде случаев требует обработок в специальных химических реагентах на специализированном оборудовании, что сильно удорожает процесс производства ИС. Так фирмой FSI выпускается установка Excalibur для удаления органо-неорганических остатков после РИТ в парах HF и установка Aries для их удаления в сжиженных инертных газах [112]. Фирмой ЕКС Technology, Ltd разработаны химические реактивы, для жидкостного удаления органо-неорганических остатков после РИТ в растворах органических аминов. Данный процесс чаще всего проводят в установках фирмы Semitoll. Совершенствование технологии жидкостного удаления органо-неорганических остатков после РИТ продолжается и в настоящее время [113]. В традиционных системах сухого удаления фоторезиста с использованием плазмы кислорода эти остатки не удаляются. Очистка ещё более затрудняется при переходе к анизотропной химии РИТ травления с использованием Вг, О- содержащих газов. За рубежом в последнее время интенсивно ведутся исследования, разработка оборудования и процессов для плазменного удаления органо-неорганических остатков после РИТ [114], однако в России до настоящего времени подобного промышленного оборудования и процесса не существовало.
Разработка реактора высокоплотной плазмы и установки, оснащённой им, позволила провести исследование процесса удаления органо-неорганических остатков после РИТ [115].
Удаление органо-неорганических остатков после РИТ металла проводили на автоматической установке «Плазма 150А» в специально разработанных составах плазмы, при давлении 70 Па, ВЧ-мощности 1000 Вт и температуре столика - подложкодержателя 553 К. Как было показано выше, данная установка позволяет удалять фоторезист не внося радиационных повреждений благодаря обработке химически активными радикалами из высокоплотной удалённой плазмы.
Для подготовки образцов на кремниевые пластины диаметра 150 мм, наносили слой окисла толщиной 20 нм. На окисленную поверхность был нанесен четырехслойный металл :Ti (ЗОнм )iN (70 HM)-AlSi (450 HM)iN (70 нм). На поверхность металла наносили фоторезист 1813 SP15 толщиной 1,45 мкм. Металл подвергали реактивно-ионному травлению в установке «Электроника ТМ-1105» в плазме смеси ВС13, СІ2, CCL4 и N2. Во втором реакторе этой же установки проводили снятие фоторезиста для блокирования коррозии на этих образцах. Жидкостную антикоррозионную обработку в ЕКС 265 специально не проводили, что обеспечило сохранение исходных органо-неорганических остатков после РИТ металла на пластинах (см. фотої, рис.3.22).
Проведенные исследования показали, что в зависимости от химического состава плазмы и температуры, органо-неорганические остатки могут как оставаться, так и удалятся (Таблица 3.2). На фотографиях 2-6 (рис. 3.22) приведены результаты РЭМ анализа образцов, подвергнутых обработке в разных составах плазмы. Как видно из фотографий, при обработке в реакторе высокоплотной плазмы имеются условия, приводящие к полному удалению органо-неорганических остатков после РИТ металла. Был исследован и подобран состав плазмы, приводящий к полному удалению остатков после такой обработки (см. фото 3, 4 рис. 3.22). Удаление остатков происходит в плазме кислорода с добавлением CF4 и воздуха при следующих соотношениях расходов газов: Ог - 270 см /мин, CF4 - 6 см /мин, воздух -42 см /мин.
Добавление CF4 к кислородной плазме приводит к образованию атомарного фтора, который эффективно удаляет органо-неорганические остатки. Фтор также может травить S1O2 ниже остатка и ослаблять его прикрепление к подложке. При этом важно, чтобы не происходило затравливание нижележащих слоев с высокой скоростью. Поэтому разработанный нами способ обработки пластин для удаления органо-неорганических остатков после РИТ был исследован на возможное подтравливание подслоя. В таблице 3.3 приведена оценка-скоростей травления различных слоев в оптимизированном для удаления остатков газовом составе плазмы. Полученные результаты указывают на достаточно малые скорости травления слоев SiC 2, Si3N4 и Si (0,9 -3,5 нм/мин), что позволяет сделать вывод о возможности промышленного использования разработанного процесса и его внедрении в производство СБИС на операциях удаления органо-неорганических остатков после РИТ технологических слоев. образцы
В технологии производства ИС с проектными нормами от 0,5 мкм и выше, для предотвращения обрыва металла на ступеньках контактных или переходных окон, процесс сухого травления диэлектрика проводят в две стадии. На первой стадии путем изотропного травления диэлектрика создается наклонный профиль с боковым подтравливанием под маску, а на второй — путем анизотропного травления диэлектрика создается вертикальный профиль, с заданным топологическим размером, до металла. При этом получается характерный профиль травления, названный в иностранной литературе «champagne etch» или «wine glass» - рюмка. При кажущейся простоте процесса, для его проведения необходимо наличие двух различных реакторов с различным химическим составом плазмы. Последнее объясняется тем, что первая стадия травления обеспечивается изотропным процессом травления с повышенной селективностью к фоторезисту, для исключения ухода размера на второй стадии травления. На второй же стадии используется процесс анизотропного реактивно-ионного травления. В отличие от анизотропного травления, обеспечивающегося направленным потоком ионов и радикалов, изотропный процесс, происходящий под воздействием диффундирующих радикалов, протекает с много меньшей скоростью, и для его стимуляции используют нагрев столика-подложкодержателя до температуры 353 К и выше. Однако, даже при повышенных температурах только применение реакторов высокоплотной плазмы обеспечивает приемлемые скорости изотропного травления диэлектрического слоя [116].
В России оборудования для проведения процесса изотропного травления диэлектриков до настоящего момента нет.
Разработка реактора высокоплотной плазмы позволила провести исследование и оптимизацию процесса изотропного травления диэлектрика.
Изотропное травление проводилось на трех группах образцов
диэлектриков: борофосфоросиликатное стекло (БФСС); плазмохимический окисел (SiC ) и кремнийорганическое стекло - «spin on glass» (SOG).
Диэлектрические слои толщиной 500 - 700 нм наносили на кремниевые пластины диаметром 150 мм, на диэлектрик наносили фоторезист марки S1813SP15 толщиной 1,45 мкм. Фоторезист экспонировали на степлере «Micrastep-2» тестовым шаблоном с набором контактных окон от 0,8 до 1,2 мкм. На образцах с SOG фоторезист был термостабилизирован при 423 К; на части образцов с БФСС (образцы 20, 21,22) фоторезист подвергали ГУФ стабилизации термических свойств до 453 К на установке М150РС фирмы Fusion (США).
Изотропное травление диэлектриков проводили в реакторе высокоплотной плазмы ВЧ индукционного разряда, на установке «Плазма 150А» при ВЧ-мощности 1000 Вт. Плазмообразующая газовая смесь состояла из хладона-14 и кислорода. Рабочее давление в реакторе поддерживали на уровне 60 Па. Температура на столике - подложкодержателе изменялась в пределах от 363 до 423 К. Глубину травления диэлектриков и фоторезиста определяли на установке MPV-SP и профилометре "Alpha-step 200" фирмы Тепсог Instruments. Профили травления исследовали на сканирующем электронном микроскопе. Данные по скоростям травления диэлектриков и фоторезиста приведены в таблице 3.4.
Разработка технологического процесса анизотропного травления кремния
Разработка технологического процесса травления канавок в кремнии в реакторе ионно-стимулированного травления проводилась на пластинах «-типа с ориентацией (100). На кремниевых пластинах был сформирован рисунок, состоящий из параллельных линий с различной шириной. В качестве маски в процессе травления использовали алюминий, SiC 2 и фоторезист.
Измерение глубины травления и анализ профиля проводили на растровом электронном микроскопе "CamScan" (Англия). Толщина оксидной маски после травления определялась на спектрофотометре MPV-SP (ФРГ). Для количественной оценки степени анизотропии использовался параметр А, равный отношению скоростей травления в вертикальном и горизонтальном направлениях или глубины травления к величине бокового подтравливания под край маски: А - величина подтравливания под край маски. Исследовалось влияние основных технологических параметров: ВЧ-мощности, напряжения и частоты низкочастотного смещения, давления газа - на скорость травления моно-Si, профиль формируемых канавок, селективность травления к оксидной маске. Технологические параметры изменялись в следующем диапазоне: ВЧ мощность (f= 13,56 МГц): 300 Вт4-800 Вт, напряжение смещения на подложкодержателе. - 20 В- -100 В, частота низкочастотного смещения: 0 кГц - 440 кГц, давление газа: 5-10" Па - -4-Ю 1 Па, расход SF6: 9,7 см3/мин-Н5,6 см3/мин, расход кислорода 3,6 см3/мин.
Выбор в качестве плазмообразующего газа смеси элегаза и кислорода обусловлен двумя причинами: необходимостью получения высоких скоростей травления кремния и возможностью формировать анизотропный профиль травления за счет образования на стенке канавки пассивирующего слоя -SiOx, который препятствует взаимодействию фтора с кремнием. Анализ Оже -спектров стенок и дна канавки, представленный авторами [125], показал наличие оксидной пленки и, тем самым, подтвердил предполагаемый механизм анизотропного травления в смеси SF6 + Ог за счет окисления боковых стенок канавки. Эксперименты по травлению в элегазе с добавлением кислорода, проведенные при давлении 6,5 10"2 Па, ВЧ мощности 600 Вт дали возможность получить канавки с углом наклона «=87. Травление в аналогичном режиме без кислорода привело к снижению анизотропии травления.
В результате проведения экспериментов было установлено, что использование постоянного смещения приводит к искажению профиля травления, что объясняется, очевидно, эффектом зарядки диэлектрической маски. Изменение частоты в диапазоне 100 кГц 440 кГц не оказывает влияния на скорость и анизотропию травления, поэтому в дальнейших экспериментах НЧ смещение осуществлялось на частоте 440 кГц.
Наиболее сильное влияние на характеристики травления оказывает давление газа в реакторе. Анизотропия травления уменьшается от 60 до 10 при изменении давления от 8,5 10"2 Па до 4 10 Па (рис 4.5). Причиной увеличения подтравливания под край маски при возрастании давления является отклонение ионнов, рассеянных при столкновении с молекулами в приэлектродном слое.
Зависимость скорости травления от давления имеет сложный характер (рис.4.6).Скорость травления имеет максимум при давлении 7-Ю"2 Па. Такой характер зависимости можно объяснить взаимодействием нескольких факторов:с увеличением давления уменьшается энергия ионов, бомбардирующих поверхность; концентрация радикалов, образующихся в индукционном разряде, имеет максимум при изменении давления; она увеличивается при увеличении давления, при дальнейшем повышении давления за пределы оптимального значения происходит снижение электронной температуры и, следовательно, степени диссоциации газа.
Проведение процесса при давлении ниже 4-10"2 Па связано с трудностями по устойчивому поддержанию плазменного разряда без использования магнитного поля, наложение которого на индукционный разряд приводит к уменьшению анизотропии травления. Поэтому магнитное поле в разработанном реакторе ионно-стимулированного травления используется только на стадии поджига плазмы, а затем отключается.
Исследование зависимости характеристик травления от ВЧ-мощности вкладываемой в разряд (рис.4.7)показало, что скорость травления кремния увеличивается с ростом мощности от 1,1 мкм/мин до 1,77 мкм/мин для структур с топологическим размером в оксидной маске /=1,5 мкм Селективность травления в рассматриваемом диапазоне мощности была: 6,2 7,3. Травление канавок шириной /=1,5 мкм происходит с меньшей скоростью (см. рис.4.7), что связано с затруднением газообмена в канавке [126].
Увеличение мощности более 800 Вт приводит к уменьшению угла наклона боковых стенок; изменение мощности от 400 Вт и ниже приводит к изотропному подтраву под край маски. Это объясняется тем, что при уменьшении ВЧ-мощности снижается НЧ-мощность, необходимая для поддержания постоянного потенциала смещения - 60 В, что приводит к уменьшению потока ионов, бомбардирующих поверхность, и, следовательно, направленности травления. Увеличение ВЧ-мощности сопровождается возрастанием ионного потока, поэтому наблюдается растрав края оксидной маски. На основании анализа профилей канавок была выбрана оптимальная высокочастотная мощность - 600 Вт.
На рис.4.8 представлен график зависимости основных характеристик процесса травления канавок от величины подаваемой на подложкодержатель низкочастотною смещения. Видно, что изменение смещения - 20 В - -- 100 В приводит к уменьшению селективности травления Si к оксидной маске, за счет увеличения скорости травления SiC 2. Канавки, протравленные при напряжении смещения исм -20 В, имели отрицательный прогиб боковых стенок из-за низкой направленности ионов. Профиль канавок, потравленных при напряжении смещения - 20 В -г- 80 В был близок к вертикальному, угол наклона боковых стенок (а) составил 85 ... 89.
Поверхности, протравленные в вышеописанном реакторе, всегда гладкие, без наблюдаемых шероховатостей. Это может быть результатом применения низкого давления газа и низкого напряжения смещения. Одной из основных причин шероховатой протравленной поверхности является переосаждение материала электрода на поверхность пластины. При давлении 10 2 Па и напряжении смещения 60 В такое осаждение незначительно.
