Зависимость скорости травления от параметров процесса

Скорость химической реакции в процессах ПХТ и ИХТ зави­сит, как и в любой другой реакции, от концентрации реагентов, т. е. концентраций химически активных частиц плазмы и активных центров на обрабатываемой поверхности. Изменение параметров ПХТ и ИХТ, меняющих эти концентрации, влияет на скорость травления материалов. Основными параметрами, влияющими на протекание процесса ПХТ, являются: мощность, вкладываемая в электрический разряд, создающий плазму; давление рабочего га­за; скорость подачи рабочего газа; температура подложки в про­цессе обработки; число одновременно обрабатываемых подложек или суммарная обрабатываемая площадь; интенсивность сопут­ствующей ионной бомбардировки.

В процессах ИХТ важным параметром, определяющим ско­рость травления, является энергия бомбардирующих ионов.

Вкладываемая в электрический разряд ВЧ мощность определяет электронную температуру плазмы, от которой, в свою очередь, зависит концентрация и компонентный состав реактивных частиц плазмы. С увеличением мощности происходит увеличение концентрации химически активных частиц плазмы, образующих­ся в результате диссоциации молекул рабочего вещества при электронном ударе.

Как правило, скорость ПХТ материалов возрастает с увеличе­нием мощности. Наблюдается практически линейная зависимость увеличения скорости травле­ния с увеличением мощности, т. е. возрастание концентрации об­разующихся в разряде химически активных частиц пропорционально подводимой ВЧ мощности.

С увеличением давления скорости травления растут, достигают максимума, а затем уменьшаются. Характер зависимости скорости от давления сохраняется при различных уровнях мощности, вкладываемой в разряд. При высоких мощностях наблюдается насыщение, а затем уменьшение скорости травления.

Скорость ПХТ материалов быстро увеличивается с ростом скорости подачи или расхода газа. Она достигает максимума, а затем уменьшается при дальнейшем увеличении расхода газа. Малая скорость травления при малых расходах газа определяется недостаточным числом образующихся в разряде химически активных частиц из-за недостатка исходного вещества. Падение скорости при больших потоках можно объяснить тем, что активные частицы плазмы откачиваются быстрей, чем успевают взаимодействовать с обрабатываемым материалом.

Изменение температуры обрабатываемого материала определяет зависимость скорости травления от длительности обработки. Важную роль в установлении температурного режима подложки играют условия теплоотвода с поверхности обрабатываемого материала. Увеличение температуры в процессах ионно-плазменной обработки связано главным образом с излучением из плазмы, электронной и ионной бомбардировками, выделением тепла при химических реакциях. Эти реакции, как правило, высоко экзотермичны. Как правило, скорость ПХТ растет с температурой. Однако в некоторых случаях увеличение температуры либо не оказывает влияния на скорость ПХТ и ИХТ, либо приводит к ее снижению.

Влияние эффекта загрузки

Понятие «загрузочный эффект» отображает степень обеднения газовой фазы активным травителем вследствие его расхода в процессе травления. Эффект загрузки свойственен только процессам ПХТ, в которых обрабатываемый материал непосредственно контактирует с плазмой химически активных газов. При ИХТ химически активные ионы двигаются к подложке строго направленно, зона взаимодействия ограничена размерами ионного пучка, бомбардирующего поверхность. Ион взаимодействует с материалом в точке падения, поэтому скорости ИХТ материалов не зависят от размеров обрабатываемой площади, а зависят от плотности тока ионов, поступающих на поверхность.

На зависимости скорости ПХТ от площади обрабатываемого материала можно выделить две характерные области. При малой загрузке скорость травления меняется мало или не меняется с увеличением обрабатываемой площади. В этой области изменения площади обрабатываемого материала лимитирующей стадией процесса ПХТ становится сама химическая реакция на поверхности, в то время как концентрация химически активных частиц в плазме достаточна для обеспечения максимальной скорости протекания этой реакции.

Во второй области реактивных частиц плазмы не хватает для обеспечения нормального протекания реакции травления на поверхности обрабатываемого материала.

Влияние эффекта загрузки на скорость ПХТ определяется из соотношения

, (11.9)

где β_р – коэффициент пропорциональности, характеризующий реакцию ПХТ материала, см⁴/с; τ – среднее время жизни реактивных частиц плазмы, с; G – скорость генерации химически активных частиц, см^-3/с; s– площадь обрабатываемого материала, см²; V – объем плазмы, см³. Параметр d = kρN_A/M, где k – константа равновесия реакции; ρ – плотность обрабатываемого материала, г/см³; N_A - число Авогадро, моль^-1; М – молекулярная масса обрабатываемого материала, г/моль.