Кинетика изотропного травления кремния

Классификация процессов плазмохимического травления

План

Лекция 3. Плазмохимическое травление кремния

Химико-динамическая полировка

Основным методом травления рабочей стороны пластин кремния является химико-динамическая полировка. Пластины помещают во вращающийся стакан из фторопласта. Ось стакана наклонена под углом 30 - 45° к горизонту, что обеспечивает наилучшие условия перемешивания травителя. Скорость вращения стакана составляет 60 - 80 об/мин: при большей скорости травление идет селективно-обедненный слой срывается с поверхности пластин, при меньшей скорости травление неравномерно из-за локального перегрева пластин.

Травителем является смесь азотной и плавиковой кислот с добавлением уксусной кислоты. Обычное соотношение кислот HNO₃:HF:CH₃COOH = 8:5:5, но для стравливания тонких слоев это соотношение может изменяться (14:3:3 или 40:1:1).

По окончании травления недопустимо вынимать пластины из травителя на воздух: на поверхности пластины остаются капли травителя и в этих местах начинается бурная реакция с выделением бурых паров азотной кислоты и сильным разогревом. В результате пластины сильно растравливаются и на их поверхности образуются пятна, углубления и черный налет моноокиси кремния. Поэтому заканчивать травление следует, добавляя воду в травитель. После химико-динамической полировки пластины освежают плавиковой кислотой и промывают водой.

1. Плазмохимическое травление кремния

2. Классификация процессов плазмохимического
травления

3. Травление двуокиси и нитрида кремния

4. Факторы, влияющие на скорость ПХТ материалов

5. Анизотропия и селективность травления

Химическое травление поверхности полупроводниковой пластины на начальном этапе, когда в ней отсутствуют диффузионные и другие слои, является эффективным и простым методом, особенно при удалении нарушенного слоя, после механической обработки.

Однако для формирования рисунков субмикронных размеров в слоях фоторезистов, диэлектриков и самого полупроводника травление жидкостными травителями непригодно. Его необходимо заменять методами обработки в вакууме с использованием низкотемпературной газоразрядной плазмы низкого давления. В этом случае поверхностные слои материала удаляются только в результате химических реакций между химически активными частицами (ХАЧ) и поверхностными атомами материала.

Низкотемпературная газоразрядная плазма может генерироваться разрядами, возбуждаемыми постоянным электрическим полем, а также разрядами на низких (10² - 10³ Гц), высоких частотах (10⁵ - 10⁸ Гц), СВЧ (10⁹ - 10¹¹ Гц) и в электромагнитных полях оптического диапазона частот (10¹³ - 10¹⁵ Гц).

При возбуждении плазмы постоянным током электроды помещаются непосредственно в камере, в других случаях - вне ее. Такая плазма представляет собой слабоконцентрированный газ при давлении
13,3×10^–2 - 13,3×10² Па с концентрацией электронов 10¹⁰ - 10¹² см^–3 и их энергией 1 - 10 эВ (температура порядка 10⁴ - 10⁵ К). Средняя энергия тяжелых частиц газа - ионов, атомов, молекул - примерно на два порядка величины ниже [температура (3 - 5)×10² К]. Для увеличения плотности плазмы и снижения рабочего давления используется магнитное поле.

Термическое равновесие между электронами и более тяжелыми частицами отсутствует, в результате последние имеют температуру, близкую к температуре окружающей среды, а энергии электронов достаточно для возбуждения и ионизации молекул.

Если основой плазмы является инертный газ, то она содержит
ионы, электроны и атомы, в том числе и возбужденные. Если же используются молекулярные газы, то присутствуют также свободные атомы и радикалы, имеющие на внешней электронной оболочке неспаренный электрон и вследствие этого обладающие высокой химической активностью.

Различают три основных вида взаимодействия частиц плазмы с
поверхностью материала.

1. Ионное травление, при котором слой материала удаляется только в результате физического распыления высокоэнергетическими ионами газа без химического взаимодействия между ними. Обычно такими ионами являются ионы инертного газа аргона (Ar⁺).

2. Плазмохимическое травление (ПХТ), напротив, происходит только в результате химического взаимодействия между активными частицами реакционного газа и поверхностными атомами материала.
Причем, если обрабатываемый материал находится в области плазмы разряда, то химические реакции активируются бомбардировкой низкоэнергетическими электронами, ионами, фотонами. Если же плазма отделена от обрабатываемого материала, идет лишь химическое взаимодействие с атомами и радикалами.

3. Ионно-химическое травление или реактивное ионное травление является как бы суммарным взаимодействием первых двух. Поверхностные слои материала удаляются как под действием распыления, так и при химическом взаимодействии с ХАЧ. В этом случае трудно выделить вклад физического или химического механизмов травления. Можно принять условно, что при энергии ионов E < 100 эВ будут преобладать плазмохимические процессы, тогда как с ростом E > 100 эВ возможно преобладание ионнохимических явлений.

ПХТ представляет собой гетерогенную химическую реакцию, происходящую на границе двух фаз: твердой и газообразной (или плазмообразной). Это позволяет при анализе ПХТ использовать общие физико-химические положения, разработанные в теории гетерогенных реакций с учетом специфики процесса.

В ПХТ можно выделить следующие стадии:

- доставка молекул активного газа в зону разряда;

- превращение молекул газа в реакционноспособные радикалы под воздействием электронов разряда;

- доставка радикалов к поверхности материала, подвергаемого травлению;

- адсорбция радикалов на поверхности материала;

- химическая реакция радикалов с поверхностными атомами;

- десорбция продуктов реакции с поверхности материала;

- отвод продуктов реакции из реактора.