19 Реактивное ионно-плазменное травление: область применения, типовые реакторы, зависимости скорости от внешних параметров процесса.

При проведении реактивного ионно-плазменного травления (синоним – реактивного ионного травления) обрабатываемые образцы находятся в контакте с плазмой и размещаются на электроде, подключенном к источнику ВЧ напряжения. Удаление материала происходит как за счет физического распыления ускоренными ионами химически активных газов, так и в результате химических реакций между свободными атомами и радикалами, образующими в плазме, и поверхностными атомами обрабатываемого материала. При проведении РИПТ физический и химический механизмы не являются независимыми: физическое распыление активирует поверхность материала, повышая скорость химических реакций, которые, в свою очередь, ослабляют химические связи поверхностных атомов, увеличивая тем самым скорость физического распыления. Поэтому скорости соответствующих процессов складываются неаддитивно, то есть количество материала, удаленного при одновременном протекании обоих процессов, больше суммы парциальных скоростей химической реакции и физического распыления. Соотношение вкладов химического и физического механизмов при РИПТ в каждом конкретном случае определяется видом рабочего газа, энергией ионов, вводимой в разряд мощностью, давлением рабочего газа, типом и геометрией реактора. Процессы РИПТ проводят в горизонтальных диодных и триодных ВЧ системах с плоскими параллельными электродами, а также в вертикальных диодных ВЧ системах с коаксиальными электродами в виде многогранной призмы и цилиндра (рис.). Во всех системах обрабатываемые пластины располагаются на электродах, к которым подводится ВЧ напряжение. Ограничения планарных диодных ВЧ систем открытого (рис. а) и полузакрытого (рис. б) типов, связанные с радиационными повреждениями обрабатываемой поверхности и низкой стойкостью органических масок вследствие высокоэнергетичной ионной бомбардировки , привели к созданию триодных и магнетронных систем. В триодной системе (рис.,в) вблизи электрода, на который подается ВЧ напряжение, помещена электрически изолированная от катода сетка, находящаяся под плавающим потенциалом. При этом образуется своеобразный полый катод, наличие которого в 3 - 4 раза увеличивает плотность ионов между сеткой и ВЧ электродом и, в то же время, в 4 – 5 раз снижает напряжение автосмещения на ВЧ электроде

Наиболее распространенные системы РИПТ: 1 – рабочая камера, 2 – заземленный электрод, 3 – ВЧ электрод, 4 – заземленный экран, 5 – обрабатываемые пластины, 6 – линия откачки, 7 – линия напуска газа, 8 – триодная сетка, 9 – магнитная система

Планарная магнетронная система (рис. г) представляет собой диодную систему, в которой сочетание электрического и магнитного полей создают такую ситуацию, что токи дрейфа электронов замыкаются сами на себя. Электроны, эмитируемые из ВЧ электрода под действием ионной бомбардировки, оказываются в своеобразной магнитной ловушке и циркулируют по замкнутым траекториям, увеличивая степень ионизации нейтральных частиц и диссоциации молекул плазмообразующего газа. В результате этого скорость РИПТ резко возрастает, однако резко снижается равномерность процесса. Для увеличения равномерности применяют подвижные магнитные системы или подвижные подложкодержатели, что существенно усложняет конструкцию реактора.

Общими недостатками горизонтальных ВЧ систем с плоскими параллельными электродами являются низкая производительность, обусловленная небольшими размерами электродов с учетом краевых эффектов, и возможность загрязнения обрабатываемых пластин частицами, распыляемыми с электродов.

Увеличение вкладываемой мощности приводит к насыщению скорости химического взаимодействия, при этом дальнейший вклад в увеличение скорости травления вносит только физическое распыление.

Влияние давления рабочего газа на скорость РИПТ сочетает признаки плазменного и ионного плазменного процессов. Начальное возрастание скорости травления с ростом давления можно объяснить увеличением числа энергетических и химически активных частиц, связанным с повышением концентрации молекул рабочего газа. Однако с ростом давления уменьшается средняя энергия электронов, поэтому эффективность диссоциации и ионизации снижается. Соответственно, начинает снижаться и РИПТ. Кроме этого, с увеличением давления уменьшается длина свободного пробега ионов и энергия ионов, бомбардирующих поверхность обрабатываемого материала. При давлении выше 100 Па характеристики РИПТ приближаются к характеристикам плазменного травления.

Если стадия доставки энергетических и химически активных частиц является лимитирующей, то скорость РИПТ при постоянном давлении возрастает с увеличением расхода рабочего газа, достигает максимума, что связано с увеличением эффективности доставки химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала. При дальнейшем увеличении расхода газа наступает такой момент, когда химически активные частицы будут уноситься потоком газа и откачиваться, не успев вступить в реакцию с обрабатываемым материалом. Следовательно, скорость травления будет уменьшаться при больших расходах рабочего газа. Наличие загрузочного эффекта отмечается в процессах РИПТ с доминированием химического механизма. Примерами таких процессов являются травление алюминия и сплавов на его основе в хлорсодержащей плазме, кремния во фторсодержащей плазме, титана, молибдена, вольфрама, ниобия и тантала во фторсодержащей плазме. При обработке больших поверхностей материала, обладающего высокой химической активностью к генерируемым химически активным частицам, скорость травления стремится к уровню, определяемому физическим распылением (рис. е). В результате ионной бомбардировки, излучения плазмы и

химической реакции на обрабатываемой поверхности выделяется большое количество теплоты, и ее температура повышается. Скорость физического распыления материалов не зависит от температуры вплоть до 700 К, однако на скорость гетерогенной химической реакции температура может оказывать двоякое действие. Если лимитирующей стадией является адсорбция ХАЧ, скорость которой уменьшается с ростом температуры, то скорость РИПТ будет также снижаться. Такой эффект отмечается, например, при травлении кремния в плазме СС14.

Если лимитирующей является стадия химического взаимодействия или десорбция продуктов реакции, скорость которых увеличивается с ростом температуры, то скорость РИПТ будет также увеличиваться.