Физико-химические основы плазменной обработки микроэлектронных структур

Ионно-плазменные методы обработки материалов получили широ­кое распространение в технологии ЭА благодаря своей универсаль­ности и ряду преимуществ по сравнению с другими технологическими методами. Универсальность методов ионно-плазменной обработки оп­ределяется тем, что с их помощью можно осуществить различные тех­нологические процессы: очистку подложек, напыление слоев, травле­ние с целью создания заданного рисунка интегральных микросхем и т.д. К преимуществам методов относится возможность напыления и травления (в том числе реактивных) при невысоких температурах и без применения жидких химических реагентов и растворителей (сухой способ).

В основе ионно-плазменных методов обработки лежит процесс взаимодействия атомных частиц (нейтральных атомов, положительных и отрицательных ионов) с поверхностью твердого тела. Обычно источ­ником бомбардирующих частиц служит плазма. Она является тем "ре­агентом", который обеспечивает процессы распыления и травления слоев твердого тела.

1. Основные параметры и свойства плазмы

Основой, объединяющей ионно-плазменные процессы обработки материалов, является использование низкотемпературной газовой плазмы низкого давления. Такая плазма представляет собой слабо ионизированный газ, состоящий из смеси стабильных и возбужденных атомов и молекул, продуктов диссоциации молекул – радикалов, электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов.

Основные параметры, характеризующие плазму, как технологическую среду:

• n_e и n_i – концентрация соответственно электронов и ионов в плазме;

•  – степень ионизации (отношение концентрации ионов к полной концентрации частиц);

• Т_е – электронная температура;

• Е_е и Е_i – энергия направленного движения соответственно электронов и ионов;

• дебаевский радиус экранирования r_D, характерный размер, на котором происходит экранировка внесенного электрического заряда и где электрическая нейтральность плазмы может нарушаться

(1.1)

где Т_е – в эВ; n_e - см^-3; r_D- в см..

Этот вид плазмы поддерживается за счет внешнего электрического поля. Ионизация в ней осуществляется путем соударения электронов с ней­тральными атомами или молекулами. Заряженные частицы (электроны и ионы) ускоряются полем и отдают энергию нейтральным частицам при соударениях, в основном упругих. Энергия выделяется в такой плаз­ме в виде джоулева тепла.

При упругих столкновениях частицы близких масс интенсивно обмениваются энергией. Массы ионов и нейтральных атомов примерно равны между собой, но много больше массы электрона. Поэтому рав­новесное (максвелловское) распределение скоростей гораздо быстрее устанавливается внутри каждого класса частиц, чем между этими классами, и средняя кинетическая энергия электронов оказывается много больше, чем у ионов, а эта последняя - больше средней кине­тической энергии нейтральных атомов. Нужно еще учесть, что сред­няя длина свободного пробега электронов больше таковой для ионов, поэтому внешнее поле интенсивнее "снабжает" их энергией. Все это приводит к тому, что в газоразрядной плазме сосуществуют три ком­поненты с различными температурами: электроны - Т_e, ионы - T_i и нейтральные частицы - T_n, при этом T_e >> T_i > T_n . В этом смысле газоразрядная плазма термически неравновесна (неи­зотермическая плазма). Низкотемпературной принято считать плазму с T_i < 10⁵ K.

Если температура всех компонентов плазмы одинакова, то плазма называется изотермической, а в противном случае – неизотермической.

Основную роль в процессах передачи энергии играют неупругие столкновения электронов, приводящих к возбуждению атомов и молекул, их ионизации и диссоциации. Основным процессом создания активных частиц плазмы инертных газов является ионизация. При образовании плазмы многоатомного газа основными являются процессы возбуждения и диссоциации. Число образующихся ионов относительно мало.

Говоря о диффузии заряженных частиц в газоразрядной плазме, необходимо отметить, что классические выражения для коэффициентов диффузии электронов и ионов

(1.2)

справедливы лишь в том случае, когда рассматриваемая совокупность заряженных частиц не является плазмой, т.е. характерный размер r_D и эффекты экранировки отсутствуют. В случае, когда выполняется обратное неравенство>>r_Dразличие в тепловых скоростях ионов и электронов приводит к разделению зарядов и возникновению электрического поля, ориентированного в направлении диффузии частиц. Это поле ускоряет диффузионное движение ионов и замедляет диффузию электронов. В результате этого ионы и электроны диффундируют с одинаковой скоростью, определяемой коэффициентом так называемойамбиполярной диффузии, величина которого выражается через коэффициенты диффузии и подвижности ионов_iи электронов_ес помощью соотношения

(1.3)

В условиях газового разряда обычно выполняются неравенства _i<<_е иD_i << D_e. Поэтому выражение дляD_a можно упростить:

(1.4)

Таким образом, при наличии неоднородностей плазма диффундирует как целое с подвижностью, определяемой подвижностью электронов и температурой электронов.

При отсутствии электрического поля движение заряженных частиц в однородной плазме является равновероятным по всем направлениям. При наложении электрического поля на частично ионизованную газовую среду распределение скоростей заряженных частиц перестает быть изотропным, что приводит к появлению направленного перемещения всей массы частиц данного сорта, называемому дрейфом.

Электроны в электрическом поле набирают энергию в интервале между столкновениями и отдают их при упругих и неупругих столкновениях с атомами и молекулами газа. Рассматривая изменение количества движения электрона в направлении электрического поля ~ m_eu_e за время между столкновениями, в отсутствие неупругих столкновений можно получить приближенное выражение для скорости дрейфа электронов

(1.5)

где _е– подвижность электронов.

В случае слабого электрического поля функция распределения электронов не зависит от его величины. Скорость дрейфа в этом случае выражается точной формулой Ланжевена

, (1.6)

где р₀– давление нейтрального газа, приведенное к нормальным условиям, т.е.

; (1.7)

_е1– длина свободного пробега электронов при давлении 133 Па; Т_а– температура нейтральных частиц.

Ионы при столкновении с тяжелыми частицами очень сильно теряют свою энергию. Если считать, что они останавливаются после каждого столкновения с нейтральными частицами, то среднюю скорость их дрейфа в направлении электрического поля можно выразить как

(1.8)

где z_i – заряд ионов.

Плотность тока заряженных частиц в плазме определяется их плотностью, зарядом и скоростью дрейфа, т.е.

(1.9)

где n_ – концентрация заряженных частиц сорта;z_ - их заряд в единицах электронного заряда е. В простейшем случае, когда плазма состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц, с учетом выражений (1.8) и (1.9) плотность тока в плазме можно представить в виде

(1.10)

Так как m_e<<m_i, то_i <<_e и при равенствеn_e ~ n_i плотности электронных и ионных токов удовлетворяют неравенствуj_e >> j_i, т.е. ток в плазме переносится в основном электронами.