Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование механизмов формирования низкотемпературной плазмы газоразрядным прибором высоковольтного типа 14
1.1. Анализ приборов, формирующих низкотемпературную плазму газовго разряда высоковольтного типа 14
1.2. Исследование особенностей низкотемпературной плазмы газового разряда высоковольтного типа 19
Выводы 28
ГЛАВА 2. Моделирование процесса травления дифракционного микрорельефа в плазме газового разряда высоковольтного типа 29
2.1. Анализ частиц плазмы, взаимодействующих с поверхностью обрабатываемого материала 30
2.2. Исследование механизмов плазмохимического и ионно-химического травления поверхности 35
2.3. Модель травления. Основные выражения 40
2.4. Алгоритм и программное обеспечение для расчета скорости травления 46
Выводы 55
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование особенностей процесса анизотропного травления поверхности диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа 56
3.1. Методика подготовки образцов для проведения эксперимента по травлению дифракционного микрорельефа в плазме газового разряда высоковольтного типа 51
3.2. Исследование и оценка достоверности результатов эксперимента и моделирования 61
3.3. Экспериментальные исследования зависимости скорости травления от процентного содержания кислорода и других физических параметров плазмы 67
3.4. Анализ качества травления 77
Выводы 84
ГЛАВА 4. Исследование механизма формирования каталитической маски микрорельефа оптических элементов при облучении структуры алюминий-кремний частицами газового разряда высоковольтного типа 86
4.1. Исследование эффекта увлечения атомов кремния «вакансиями», возникающими в расплаве алюминия при облучении его поверхности частицами газового разряда высоковольтного типа 87
4.2. Аналитическое описание процесса растворения кремния в расплаве алюминия 94
4.2.1. Консервативная разностная схема для уравнений диффузии 99
4.2.2. Результаты разностного решения смешанной задачи 100
4.2.3. Анализ полученных численных результатов 102
4.3. Анализ экспериментальных данных 104
4.4. Методики формирования дифракционного микрорельефа 107
4.4.1. Методика формирования дифракционного микрорельефа методом плазмохимического травления в плазме ГРВТ 107
4.4.2. Методика формирования дифракционного микрорельефа методом ионно-химического травления в плазме ГРВТ 109
4.4.3. Методика формирования дифракционного микрорельефа на основе применения каталитической маски, формируемой в плазме ГРВТ 110
Выводы 1И
Заключение 112
Список использованных источников 114
- Исследование особенностей низкотемпературной плазмы газового разряда высоковольтного типа
- Исследование механизмов плазмохимического и ионно-химического травления поверхности
- Экспериментальные исследования зависимости скорости травления от процентного содержания кислорода и других физических параметров плазмы
- Исследование эффекта увлечения атомов кремния «вакансиями», возникающими в расплаве алюминия при облучении его поверхности частицами газового разряда высоковольтного типа
Введение к работе
Актуальность проблемы. Формирование дифракционного микрорельефа [1] осуществляется методами фотолитографии [2], на основе применения бихромированного желатина [3] и жидких фотополимеризую-щихся композиций [4], послойного наращивания фоторезиста [5], прямой абляции лазерным излучением [6], прямой лазерной записи с применением круговой записывающей лазерной системы [7], вакуумно-плазменного травления в высокочастотной (ВЧ) и сверхвысокочастотной (СВЧ) плазме [8,9]. Развитие дифракционной оптики требует резкого повышения качества и точности параметров микрорельефа дифракционных оптических элементов (ДОЭ) [10], в частности снижения отклонения от вертикали стенок профшгя микрорельефа [1], формирования с высокой равномерностью прецизионного дифракционного микрорельефа на широкоапертурных пластинах. Возникают задачи увеличения аспектного отношения канавок формируемого дифракционного микрорельефа [10,11,12].
Выполнение поставленных требований возможно при использовании в процессе изготовления микрорельефа оптических элементов методов сухого травления. Технологическим инструментом в этом случае является низкотемпературная плазма, представляющая собой широкоформатный плазменный поток с равномерным и однородным распределением частиц по его сечению. Движение частиц в потоке такой плазмы должно осуществляться в направлении нормали к поверхности обработки, то есть иметь анизотропный характер. В настоящее время методы сухого травления широко применяются для решения различного рода задач как совре- менной оптики [1-22], так и микроэлектроники [23,24]. В качестве активного компонента в этих методах используется низкотемпературная плазма, формируемая тлеющим, ВЧ, СВЧ и магнетронным разрядами [24,25].
Генерация широкоформатных потоков плазмы тлеющим разрядом осуществляется источниками с полым катодом и анодом [26-31]. Однако в этом случае возникает проблема обеспечения подавления неустойчивости в разряде, приводящей к нарушению его однородности. В работах [26,27] эта задача решается путем использования в качестве плазменного катода системы разрядов с микрополыми катодами, что позволяет создавать устойчивые тлеющие разряды больших объема и площади. Однородность плазмы достигается применением систем с магнитным полем или комбинированным магнитным и электростатическим удержанием быстрых электронов в широкоапертурном полом катоде и генерацией эмитирующей ионы плазмы в анодной полости [28,29].
Создание однородного широкоформатного потока плазмы в источниках ВЧ, СВЧ и магнетронного разрядов представляет собой также сложную задачу [32-35]. Так, например, с уменьшением давления газа в рабочей камере увеличивается влияние неоднородности магнитного поля соленоида, создающего условия электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) СВЧ газового разряда [36] на параметры формируемой плазмы, что приводит в свою очередь к неоднородности обработки пластин большого диаметра. Авторы работ [37-40] предлагают повысить однородность плазмы путем изменения геометрии и конструктивных параметров источников ВЧ и СВЧ разрядов. Ими отмечено, что радиальная локализация
7 участка с максимальной плотностью плазмы имеет тенденцию смещения от центра с уменьшением высоты плазменной камеры и повышением давления, т.е. область вакуумной камеры, в которой возбуждается разряд, влияет на однородность образующей плазмы. Минимизация влияния на однородность плазмы перечисленных факторов осуществляется путем расширения плазменной камеры, применения направляющих камер специальной геометрической формы [35], одновременного использования для возбуждения ВЧ поля двух катушек - планар-ной и вертикальной [34], применения специально разработанных кольцевых антенн и конструкций магнитных систем [32,33]. Улучшение однородности плазмы при этом связано с увеличением конструктивной сложности, энергоемкости источников плазмы данного типа и не устраняет для всех рассмотренных разрядов, формирующих плазму, общих для них недостатков: явление уменьшения скорости травления с увеличением относительных размеров поверхности [41,42]; влияние материала, геометрии и свойств поверхности подложки на параметры газовых разрядов [43,44]; загрязнение поверхности обработки малоактивными или неактивными частицами плазмы [45,46,47], изменяющее характеристики ее травления; проявление эффекта полимеризации при травлении во фторуглеродных газах [48,49]; зависимость параметров заряженных частиц от режимов работы газоразрядного устройства.
8 Приведенные недостатки усложняют технологический процесс травления материалов, делают трудоемким процесс определения значений параметров оптимальных режимов, затрудняют получение широкоформатных потоков плазмы, обеспечивающих равномерное травление по всей поверхности подложки независимо от ее размеров, и в итоге повышают себестоимость конечного продукта. В связи с этим возникает потребность в газоразрядных приборах, формирующих потоки плазмы. При взаимодействии потоков плазмы с поверхностью обрабатываемого материала в область травления должны поступать только отрицательно заряженные частицы фторуглеродных газов, улучшающих анизотропию травления подложки и исключающих процесс аккумулирования на ней продуктов разряда [50]. Плазма (потоки плазмы) также должна быть направленной и генерируемой за пределами электродов газоразрядного устройства. Заряженные и химически активные частицы в ней не должны взаимодействовать с боковыми стенками рабочей камеры (локализация плазмы), параметры заряженных частиц зависеть от режимов работы газоразрядного устройства и должны иметь равномерное распределение по сечению плазменного потока. Такими свойствами, как следует из ряда публикаций [51,52,53,54*], обладает плазма газового разряда высоковольтного типа (ГРВТ), которая, как следует из [52,54 ,55,56,57,58 ,59 ,60 ], успешно используется для пайки элементов полупроводниковых приборов, сварки, в лазерной технике, для очистки поверхности материалов. Однако в современной литературе отсутствуют описание результатов теоретических и - здесь и далее звездочкой отмечены ссылки на работы автора
9 практических исследований механизмов и особенностей процесса формирования оптического микрорельефа на диоксиде кремния в плазме ГРВТ и, как следствие, методы, решающие такую задачу.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является создание методов формирования оптического микрорельефа на диоксиде кремния в низкотемпературной плазме газового разряда высоковольтного типа.
В соответствии с поставленной целью определены и основные задачи диссертации, а именно:
1. Разработка методов оценивания скорости плазмохимического и ионно-химического травления диоксида кремния в плазме газового разря да высоковольтного типа, связывающих величину скорости травления с физическими параметрами газоразрядного прибора;
Разработка алгоритмических и программных средств моделирования процесса травления материала в плазме газового разряда высоковольтного типа и создание на этой основе методов травления дифракционного микрорельефа в такой плазме;
Экспериментальное исследование зависимости скорости травления в плазме ГРВТ актуальных для дифракционной оптики материалов (диоксида кремния и кремния) от физических факторов;
Разработка и экспериментальное исследование метода формирования дифракционного микрорельефа с применением каталитической маски на поверхности подложки путем облучения ее частицами ГРВТ;
Создание высокоэффективных методов формирования оптического микрорельефа на диоксиде кремния с периодами зон 12 мкм и более в
10 плазме газового разряда высоковольтного типа.
Научная новизна. При выполнении настоящей диссертационной работы впервые:
1. Разработаны методы получения оптического микрорельефа на диок сиде кремния широкоформатным (до 78 мм) потоком плазмы газового разряда высоковольтного типа;
Предложены методы оценивания скорости плазмохимического и ионно-химического травления диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа;
Экспериментально и теоретически исследованы зависимости скорости травления диоксида кремния от физических параметров плазмы;
4. Разработаны методы плазмохимического и ионно-химического трав ления диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа, позволяющие формировать оптический микрорельеф с периодами зон бо лее 12 мкм;
Разработан и экспериментально исследован метод формирования дифракционного микрорельефа в плазме с применением каталитической маски на поверхности подложки путем облучения ее частицами ГРВТ, с периодами зон, удовлетворяющих условию h«b, где h - толщина каталитической маски, Ъ - ширина штриха маски;
Обнаружен эффект экстракции химически неактивных частиц плазмы из области травления материала подложки.
Практическая ценность результатов работы определяется следующим: - определены величины скорости травления диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа для соответствующих зна- чений параметров технологического процесса; - разработанные программные средства позволяют осуществить в ре жиме диалога поиск значений параметров оптимальных режимов травле ния материала в плазме ГРВТ в реальном масштабе времени; - найденные режимы травления могут быть использованы для разра ботки конкретного технологического процесса при серийном изготовле нии дифракционных оптических элементов со ступенчатым микрорелье фом; снижены процентное содержание кислорода в плазме, загрязнение продуктами травления поверхности подложки, требования к чистоте рабочих газов; показана возможность формирования прецизионного дифракционного микрорельефа на пластинах большого диаметра (78 мм).
Практическая значимость также заключается и в том, что разработанные в работе методы формирования оптического микрорельефа проверены при изготовлении элементов дифракционной оптики на конкретных установках, серийно используемых отечественной промышленностью (УВН-2М-1). Применяемое для формирования дифракционного микрорельефа газоразрядное устройство обладает простой конструкцией, малыми размерами, весом и стоимостью, меньшей по сравнению с существующими видами реакторов, энергоемкостью, возможностью установки его на любой тип промышленных вакуумных установок (универсальность газоразрядного прибора).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: методы оценивания скорости плазмохимического и ионно-химического травления диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа, основанные на представлении низкотемпературной плазмы в виде направленного потока активных частиц в области поверхности подложки; - экспериментально установленные зависимости скорости травления от электрофизических параметров плазмы; экспериментально установленные закономерности влияния режимов травления на параметры оптического микрорельефа (высота микрорельефа, вертикальность стенок ступеньки микрорельефа, шероховатость) в плазме ГРВТ; методы формирования оптического микрорельефа в плазме газового разряда высоковольтного типа. эффект экстракции химически неактивных частиц из области травления.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Электроника и информатика-97», г. Москва (г. Зеленоград) (1997 г.); Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», г. Пенза, (1997 г.); Международная конференция «Математическое моделирование», г. Самара, (2001 г.); II Международный симпозиум
13 «Аэрокосмические приборные технологии», г. Санкт-Петербург (2002 г.); Международная конференция «Микро- и наноэлектроцика-2003», г. Москва (г. Звенигород); Третья конференция научно-образовательных центров программы «Фундаментальное исследование и высшее образование», г. Москва (2003 г.); Конференция молодых ученых Научно-образовательного центра математических основ дифракционной оптики и обработки изображений, г. Самара, (11 июня 2003 г. 22-25 октября 2003 г.); Научно-технические семинары Физико-технологического института РАН (ФТИАН), Самарского государственного аэрокосмического университета и Института систем обработки изображений РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 9 статей и 7 тезисов докладов на научно-технических Международных и Всероссийских конференциях, семинарах и симпозиумах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с краткими выводами, заключения и списка цитируемой литературы. Она изложена на 126 страницах машинописного текста и содержит 64 рисунка. В списке цитируемой литературы 125 наименований.
Исследование особенностей низкотемпературной плазмы газового разряда высоковольтного типа
Таким образом, сам механизм возникновения разряда устраняет условия распыления материала анода.
При достаточной величине градиента электрического поля у катода каждый вылетевший из катода электрон движется вдоль прямолинейного участка соответствующей силовой линии [61]. Электрон, обладая малой массой, приобретает значительную скорость на длине свободного пробега и при отклонении силовой линии от прямолинейности он срывается с нее и перескакивает на прямолинейный соседний участок силовой линии поля.
Характерным свойством ионов, обладающих большой массой и малой скоростью, является их движение строго по силовой линии, поэтому в области искривления траектории движения электрона разрушаются условия самоподдержания газового разряда высоковольтного типа из-за отсутствия вероятности их взаимодействия.
Количество ионов, образовавшихся на прямолинейном прикатодном участке силовой линии, зависит от его длины, давления газа и распределения силовых линий электрического поля вдоль этого участка. В частности, с увеличением давления растет концентрация ионов, однако не все ионы, образованные на прямолинейном участке силовой линии, будут двигаться к катоду вдоль нее, а только те, которые возникают в местах достаточного градиента поля, необходимого для их движения в сторону катода.
Таким образом, разряд возникает только на прямолинейных участках силовых линий при условии, что на их длине электроны и ионы успевают набрать энергию равную или больше энергий ионизации атомов остаточного газа и материала катода.
В работах [51,55,62] рассматриваются приборы, формирующие ион-но-электронные пучки в высоковольтном газовом разряде. Конструкция приборов содержит систему электродов, состоящую из плоского катода, плоского анода, диафрагмы с отверстием различной формы и размеров da. Расстояние h между катодом и диафрагмой таково, что при рабочих давлениях газа /7=10 -10-1 торр и напряжениях 50 кВ вне отверстия в диа 18 фрагме разряд зажечься не может. Расстояния h в приведенных работах менялись от 5 до 15 мм, a da от 10 до 20 мм. Ток ионно-электронного пучка в 45-600 мА достигается при напряжении на электродах 17-25 кВ. Такие режимы работы газоразрядного устройства не приемлемы для формирования дифракционного микрорельефа.
В работе [52] показана возможность формирования пучков низкотемпературной плазмы высоковольтным газовым разрядом с сечением ленточной формы. Для этого применялся анод толщиной 20 мм с отверстием в центре размером da — 5 х 30 мм. Расстояние h в данной работе равнялось 3 мм, что привело к стабилизации существования высоковольтного разряда и снижению потенциала его зажигания. Ток луча меняется от 0 до 40 мА при варьировании ускоряющим напряжением в диапазоне 0,5-7 кВ. Такие режимы работы газоразрядного устройства подходят для травления материалов [63 ]. Энергия частиц, взаимодействующих с поверхностью подложки, будет составлять в этом случае единицы, десятки и сотни элек-тронвольт, что вполне достаточно для осуществления плазмохимического или ионно-химического травления. Однако геометрические размеры луча при этом составляют всего 0,8 х 25 мм. Возникает необходимость сканирования луча по поверхности подложки. Авторами [52] установлено, что при приближении ленточного пучка к краю подложки начинается усиленное отражение теплового поля от ее торцевой грани. В области поверхности между пучком и краем подложки начинается интенсивное накопление тепловой энергии, приводящее к росту температуры. Создаются разные условия травления материала на краях пластины и в ее центральной области, а, следовательно, сформировать дифракционный микрорельеф с одинаковыми параметрами по всей площади подложки не представляется возможным. Для устранения этого недостатка в большинстве практических случаях значительно увеличивают общую площадь подложки, создавая этим условия равномерного нагрева в области травления. Значительный расход дорогостоящего материала подложки и малая скорость травления не по 19 зволяют осуществить широкое внедрение ленточных пучков для формирования микрорельефа ДОЭ.
В диссертационной работе для формирования дифракционного микрорельефа предлагается использовать газоразрядный прибор, способный создавать широкоформатные потоки низкотемпературной плазмы газового разряда высоковольтного типа (рис. 1.3), при этом активные частицы плазмы двигаются к поверхности подложки по нормали. Для увеличения эмиссии электронов катод изготовлен из алюминия [64], а для увеличения равномерности распределения частиц плазмы по энергиям анод изготовлен в виде сетки с размером ячейки — 1,8 мм х 1,8 мм и проволоки диаметром - 0 0,5 мм, выполненной из нержавеющей стали, что значительно снижает ее химическую активность с частицами плазмы и увеличивает стойкость ано-да к температурному нагреву [65 ]. Расстояние между электродами выбирается из соотношения h 2-3 Л , где Я - длина свободного пробега заряженной частицы. Это позволяет снизить напряжение зажигания разряда до U3 = 300 В. Ток разряда при этом изменяется в диапазоне 0-200 мА, а ускоряющие напряжения от 03 до 6 кВ. Диаметр электродов выбирается в зависимости от размеров обрабатываемой пластины и может изменяться от 50 мм до 200 мм и более. Для эффективного применения низкотемпературной плазмы, формируемой газоразрядным прибором, в ионно-плазменных процессах травления микрорельефа элементов дифракционной оптики необходимо провести исследования особенностей механизмов возникновения и существования газового разряда высоковольтного типа.
Исследование механизмов плазмохимического и ионно-химического травления поверхности
Для параметров, рассматриваемых в диссертационной работе, равномерность распределения заряженных частиц по сечению потока оценивалась с помощью зависимости J=f(X) (см. рис. 1.4), где J = I3 / S, 13 - ток луча, измеренный методом подвижного коллектора с отверстием 0,8 мм [66], S - площадь отверстия. Анализ этой зависимости показывает: равномерность распределения заряженных частиц по сечению потока плазмы газового разряда высоковольтного типа в диапазоне 12 мм X 90 мм - не хуже 98 %, что хорошо соответствует результатам работы [67 ].
Существование разряда вне электродов газоразрядного устройства позволяет сделать вывод о том, что в образовавшемся разряде его частицы находятся в свободном движении [51]. Это резко снижает зависимость параметров частиц от режимов работы устройства, практически полностью устраняет возможность появления эффекта загрузки и операцию защиты поверхности анода от распыления. Свободное движение частиц, а также визуально наблюдаемые с помощью микроскопа типа МБС резко очерченные границы разряда, свидетельствуют об их направленном движении за пределами анода перпендикулярно к его поверхности.
Анализ же вольтамперной характеристики (ВАХ) такого разряда (рис. 1.5) показывает, что ее формирование обусловлено ионизацией атомов рабочего газа (а - процесс) и материала катода (у - процесс) [68], причем в диапазоне напряжений 300 U 1000 В происходит преимущественно ионизация атомов рабочего газа, а при U 1000 В - интенсивное распыление материала катода, что приводит к возникновению ионно-электронной эмиссии, которая и формирует оставшийся участок ВАХ. Однако в области относительно низких давлений (р 1,5 10"1 торр) в диапазоне 20 / 50 мА явно просматривается участок ВАХ со слабой зависимостью напряжения от тока, Это позволяет предположить, что в данном диапазоне напряжений при высоких давлениях электроны еще успевают набрать энергию, необходимую для ионизации атомов рабочего газа, и ак тивно участвуют в механизме увеличения тока даже при незначительном увеличении напряжения. Сделанное предположение хорошо сочетается и с зависимостью, представленной на рис. 1.6: насыщение напряжения в диапазоне давлений 1,8" 10"1 торр р 9 1 ї2торр в случае чистого катода (нового) доказывает, что возможности ионизации рабочего газа исчерпаны, а подъем зависимости при р 9 10" торр объясняется распылением и ионизацией атомов материала катода (ионно-электронной эмиссией). Для доказательства сделанных утверждений произведем оценку параметров существования газового разряда. Известно, что ионизация атомов рабочего газа может происходить под действием электронов (а - процесс) и положительных ионов (/? - процесс), а эмиссия электронов с поверхности катода - посредством ионной бомбардировки (у - процесс) и поверхностной ионизацией излучением {5 - процесс) [68]. Выясним, какие из вышепере-численных процессов являются наиболее определяющими при возникновении и поддержании высоковольтного газового разряда. где С/- потенциал на катоде, В; с - некоторая постоянная, вычисляемая из системы уравнений [53], которая в случае отверстия в аноде размером 1,8 х 1,8 мм равна 0,08 см. Для того, чтобы найти напряженность электрического поля, действующего на заряженную частицу на ее первой длине свободного пробега Я (см), необходимо подставить вместо у в выражение (1.2) значение величины Я, которое определяется как: где «0 - концентрация молекул хладона-14, равная в случае давления 910"2 торр 0,29-1016 см"3; т- эффективное сечение, равное 14,1 10"16 см2 [69, 70]. Так как разряд зажигался при минимальном ускоряющем напряжении на катоде U= 300 В, то, подставляя данное значение f/в (1-2), а также известные h, с, и Я, которое согласно (1.3) равно 1,3 см, получим Е = 17,3 В/см. Подставляя данное значение напряженности электрического поля в (1.1), получим следующее at « 1 см", что соответствует условию возникновения газового разряда за пределами анода (yQ 1). Сравнение же величин Я и /, при данном напряжении на электродах показало также, что Я /,: ионизация молекул остаточного газа возможна [68]. Эффективность ионизации молекул рабочего газа положительными ионами низка и fi - процесс при исследовании газового разряда можно не учитывать [69]. Поскольку высоковольтный разряд является самостоятельным, а в вакуумной камере, где зажигался разряд, отсутствовали какие-либо посторонние средства излучения, то S - процесс также можно не рассматривать, следовательно, основным источником образования электро 26 нов, эмитируемых катодом, являются положительные ионы. Степень участия положительных ионов в вырывании электронов с поверхности катода характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии, который рассчитывался по методике [71], и в случае U= 300 В, равен уе = 7,16" 10 5. При напряжении на катоде в 1000 В расчет коэффициентов а, и уе по вышеизложенным методикам [69,71] показал следующие их значения: а, 4,8 см 1, а уе " 0,66, т.е., как видно из сравнения данных величин, объемная ионизация молекул рабочего газа выросла почти в пять раз, в то время как ионизация за счет ионно-электронной эмиссии увеличилась в 104 раз. Таким образом, при напряжениях на катоде 300 V 1000 В основную роль в ионизации молекул рабочего газа играет объемная ионизация электронным ударом, а при U 1000 В - ионизация за счет ионно-электронной эмиссии, что хорошо согласуется с зависимостями, представленными на рис. 1.5 и рис. 1.6. Нарушение экспоненциальной зависимости, представленной на рис. 1.6, прир 5,5 10"2 - 4,8 10"2 торр происходит за счет появления нестабильных микродуговых разрядов между катодом и анодом, видимых визуально. Условия возникновения данного вида паразитных разрядов в этом диапазоне напряжений и давлений становятся такими же, как и у высоковольтного разряда, поэтому они возникают практически одновременно. Дальнейшее снижение давления приводит к увеличению потенциала зажигания, при этом один из разрядов становится основным и осуществляется пробой диэлектрического промежутка между анодом и катодом. Следы трех таких пробоев представлены на рис Л .7.
Экспериментальные исследования зависимости скорости травления от процентного содержания кислорода и других физических параметров плазмы
В случае плазмохимического травления в плазме газового разряда высоковольтного типа имеет место ионная бомбардировка в направлении нормали к поверхности образца. Это повышает анизотропность процесса и усиливает травление поверхности за счет образования реакционных частиц, таких как атомарный фтор, непосредственно на поверхности подложки. Причем их образование осуществляется в результате ионно-молекулярных взаимодействий отрицательных ионов с нейтральными молекулами рабочего газа, которые были первоначально адсорбированы из газовой фазы. Ионная бомбардировка при плазмо химическом травлении в плазме ГРВТ является основным источником химически активных частиц. Покажем это, рассмотрев реакции, протекающие в плазме ГРВТ и приводящие к образованию химически активных частиц (нейтральных радикалов) на примере, когда плазмообразующим газом является CF4. Традиционно в плазме хладона - 14 высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядов образование ХАЧ возможно как в ее объеме, так и на поверхности обрабатываемой подложки в результате диссоциации нейтральной молекулы электронным ударом. Беря в основу, результаты приведенные в [78], можно эти процессы описать следующими реакциями: где е-- электроны; F - радикалы фтора; F - отрицательные ионы фтора; С - атомы углерода; F — атомы фтора. В главе 1 диссертации отмечалось, что в плазме ГРВТ происходит строгое разделение зарядов по направлению их движения: в момент образования отрицательного иона или электрона, который начнет свое движение по направлению к подложке, должен возникнуть положительный ион, который будет двигаться в направлении катода. С другой стороны в ГРВТ возможны акты взаимодействия с появлением двух или более отрицательных частиц, но одновременно с этими взаимодействиями должны протекать и реакции, в которых образуется адекватное количество положительных ионов. Иными словами, в плазме ГРВТ должно сохраняться равновесие движущихся заряженных частиц. Там, где данное условие (неравенство yQ 1) нарушается, ГРВТ прекращает свое существование. Это может произойти тогда, когда энергии отрицательно заряженных частиц (ионов или электронов) будет недостаточно для образования положительного иона при взаимодействии с молекулами рабочего газа, например, на расстоянии dmax от электродов газоразрядного устройства. С этой точки зрения наиболее приемлема первая реакция (диссоциативная ионизация электронным ударом). В работах [79 ] подчеркивалось, что главным механизмом потерь энергии электронами в диапазоне подаваемых на электроды ГУВТ напряжений 0.5-2 кВ, включающем в себя область ПХТ, является процесс прилипания электронов к нейтральным атомам. Время жизни ХАЧ в этом случае мало [69,70]. Гибель радикала F сопровождается присоединением к нему электрона и возникновением отрицательного иона F : F + е +е" -»F +e . (2.10) В виду того, плазма ГРВТ является направленной, вероятность ее взаимодействия со стенкой реактора мала, поэтому влияние гетерогенных реакций рекомбинации заряженных частиц на стенках рабочей камеры на процессы, протекающие в плазме, можно не учитывать. Для осуществления электрон-ионной рекомбинации необходимо не только содержание в плазме достаточного количества свободных электронов, но и чтобы их энергии были меньше энергии ионизации иона. В нашем случае эти условия не выполняются, следовательно, основным механизмом исчезновения зарядов при ПХТ в плазме ГРВТ является ион — ионная рекомбинация [69]. Возбуждение и ионизация молекул рабочего газа посредством электронного удара также не рассматриваются, так как оба типа реакций протекают при более высоком давлении [70]. Таким образом, возможны следующие основные реакции, протекающие в объеме плазмы ГРВТ и не про-тиворечащие вышеперечисленным рассуждениям [80 ] : Ионизация молекулы рабочего газа отрицательным ионом F" (реакция 2.12) справедлива, так как энергия последнего, согласно (2.4), на протяжении всего его пути к подложке больше энергии ионизации молекулы CF+. При этом энергия иона F меняется от 400 эВ (после первого столкновения) до 100 эВ и менее перед столкновением с молекулой, адсорбированной на поверхности подложки. В последнем случае часть энергии иона (порядка энергии ионизации) расходуется на ионизацию молекулы CF4, а остальная — на разрушение или ослабление связей поверхностных атомов обрабатываемого материала. Согласно [80 ] это взаимодействие протекает по схеме: где Sp- элемент поверхности. Образующиеся радикалы F не успевают присоединить к себе электрон и сразу же вступают в химическую реакцию с поверхностными атомами, формируя летучие соединения вида: где А - атом обрабатываемого материала; п — число атомов фтора необходимое для удаления одного атома А. Можно сказать, что подобным обра-зом ионы F осуществляют адресную доставку радикалов F к обрабатываемой поверхности, т.е. каждому иону F , находящемуся в объеме плазмы соответствует свой радикал F на поверхности обработки. Продукты же реакции удаляются из рабочей камеры откачными средствами. В момент, когда энергия иона F" становится равной или меньше энергии ионизации иона CF , он рекомбинирует с ним по схеме (2,13) с образованием молекулы рабочего газа CF4.
Исследование эффекта увлечения атомов кремния «вакансиями», возникающими в расплаве алюминия при облучении его поверхности частицами газового разряда высоковольтного типа
Для исследования механизма формирования микрорельефа оптических элементов методом каталитической маски применялись аналогично подготовленные образцы на кремниевых подложках. Отличие заключалось в том, что в качестве первого маскирующего подслоя вместо хрома напылялся алюминий, а фоторезистивный слой после операции травления алюминия удалялся полностью.
Параметры образцов во время и после обработки в плазме газового разряда высоковольтного типа измерялись: параметры дифракционного микрорельефа - профилографом - профилометром 170311, оптическим микроинтерферометром МИИ-4, сканирующими зондовыми микроскопами P4-SPM-MDT, «SMENA» в комбинации с Р47Н фирмы «Нанотехно-логия - МДТ», микроинтерферометром фирмы Zygo «New-View-5000»; рентгеноструктурный анализ состава материала, осаждаемого на поверхности катода в процессе травления, выполнялся на установке ДРОН-2.0; величина удельного сопротивления - прибором типа ЦИУС-2, а тип проводимости слоев исследуемой структуры - по величине и знаку термоЭдс; характер распределения атомов кремния в алюминии определялся металлографическим анализом поперечных шлифов образцов.
Применение для измерения параметров образцов стандартного и прецизионного оборудования позволяет считать полученные результаты достоверными.
Травление образцов выполнялось на газоразрядном устройстве высоковольтного типа [80 ] в плазме CF4, причем в зависимости от напряжения, подаваемого на электроды газоразрядного устройства, осуществлялось как плазмохимическое, так и ионно-химическое травление. Образцы распологались вне электродов газоразрядного устройства, поэтому дополнительных мер защиты по предотвращению загрязнения их поверхности распыленными частицами материала катода не требовалось. Задачей эксперимента являлось получение зависимости скорости травления от технологических параметров газоразрядного устройства: напряжения на электродах и тока разряда. Скорость травления определялась как отношение глубины ко времени травления, причем последнее оставалось для всех режимов постоянным, и равнялось t = 10 мин.. Для проверки достоверности и воспроизводимости результатов эксперимента каждый режим повторялся не менее десяти раз, разброс параметров при этом составлял не более 10 %. Точки на зависимостях (см. рис.3.3) представляют собой среднее значение скорости травления по результатам измерения на десяти образцах. На рис.3.3 представлены экспериментальные зависимости скорости травления от напряжения на электродах газоразрядного устройства для разных значений тока разряда.
Анализ данных зависимостей показывает, что при малых значениях напряжений (0,5-1 кВ) и больших значениях тока (120-140 мА, кривые 1,2) осуществляется плазмохимическое травление материала. Рост скорости травления в области напряжений 0,5-0,8 кВ соответствует тому, что с увеличением напряжения повышается скорость образования ХАЧ с участием отрицательных ионов с энергиями, достаточными лишь только для их доставки к поверхности обрабатываемого материала и десорбции ХАЧ (согласно расчету по (2.4) порядка 50 эВ). Равенство нулю скорости травления при U = 0,5 кВ говорит о том, что ионно-электронный поток при данном напряжении и вовсе не достигает поверхности образца (см. формулу
(2.5)). Резкое уменьшение скорости травления в диапазоне напряжений 0,8-1 кВ объясняется тем, что энергии ионов в этом случае хватает уже и для разогрева поверхности образца, при этом он нагревается до температуры, при которой адсорбция образующих ХАЧ молекул CF4 становится невозможной и как следствие равенство нулю скорости травления. В целом максимальные значения скоростей травления диоксида кремния в плазмо-химической области ГРВТ соизмеримы со значениями, представленными в работе [103 ]. При значениях напряжений 1,2-2 кВ и токах 120-140 мА наблюдаются идеальные условия для ИХТ, так как в плазме существует большая концентрация отрицательных ионов, достигающих образца, энергия которых порядка 100-500 эВ (см. рис.2.2), обеспечивает не только доставку их к поверхности обработки, но и ее распыление. Причем, наряду с физическим распылением материала, в области распыления наблюдается и химическое взаимодействие ионов фтора с распыленными частицами с образованием газообразных продуктов. Именно поэтому в процессе травления отсутствовал дефицит частиц, участвующих в отводе продуктов реакции из зоны обработки, вследствие чего кривые 1,2 имеют наибольшую крутизну. При этом, как видно из зависимостей представленных на рис.3.3, наблюдаются максимальные скорости травления. Дальнейший же спад кривых объясняется увеличением энергии положительных ионов, бомбардирующих катод и, как следствие, ростом коэффициента вторичной эмиссии уе, что приводит к повышению числа электронов в плазме. Энергии отрицательных ионов и электронов в данном диапазоне напряжений (см. рис.2.2) достаточно велики на отрезке пути от катода до образца. Причем, энергии последних вполне хватает для нейтрализации и последующей ионизации ионов F . В этом случае коэффициент прилипания ап стремится к нулю, резко уменьшая тем самым число отрицательных ионов фтора, принимающих участие в травлении материала.
