1130

81

Кинетическая область травления реализуется при

Rдиф << Rхим или Ктр << βХ. В этом случае из двух стадий процесса наиболее медленной (лимитирующей) стадией является собст-

венно химическая реакция. Следовательно, процесс травления протекает в кинетической области, т.к. его скорость ограничивается скоростью химической реакции, а быстрая диффузионная доставка молекул травителя Х обеспечивает практически постоянную их концентрацию на поверхности S, равную СХо. Так как константа травления Ктр чувствительна к дефектности поверхности и имеет различные значения для разных граней кристалла, то для кинетической области протекания процесса характерно се-

лективное и анизотропное травление.

Селективность травления проявляется в преимущественном вытравливании дефектных мест на поверхности в форме ямок травления (например, в районе выхода дислокаций). В районе этих мест атомы находятся в возбужденном состоянии, что понижает активационный барьер для константы Ктр и увеличивает локальную скорость травления.

Анизотропность травления связана с различной скоро-

стью травления разных кристаллографических граней, характеризуемых разными индексами Миллера. Обычно (например, для кремния Si и арсенида галлия GaAs) выполняются неравенства

υ{100} > υ{110} > υ{111}. В результате этого даже на бездефектных поверхностях, ориентированных по плоскостям {100} или {110},

при локальном травлении через специальное окно в защитной маске можно получить профилированные углубления, ограниченные плоскостями, которые характеризуются малыми скоростями травления.

Наряду с жидкостным химическим травлением используются методы «сухого травления», основанные на использовании реактивных парогазовых смесей, термообработки (отжига), а также ионно-плазменных сред.

4.6 Газовое травление

Сущность процесса заключается в химическом взаимодействии обрабатываемого материала с газообразным веществом и образовании при этом легко удаляемых летучих соединений. За-

82

грязнения при газовом травлении удаляются вместе с поверхностным слоем пластин или подложек.

В качестве газов-реагентов для травления кремниевых пластин применяют смеси водорода и гелия с галогенами (фтор, хлор, бром), галогеноводородами (НВr, НСl), сероводородом Н2S и др.

Молярные соединения этих веществ в водороде или гелии могут изменяться от десятых долей % до нескольких %. Очистку производят при температурах 800–1300°С.

Наибольшее распространение получило травление кремниевых пластин хлористым водородом при температуре 1150–1250 °С:

Si(тв) + 4HCl(г) = SiCl4(г)↑ + 2Н2(г)↑

Скорость травления может достигать 15 мкм/мин.

Газовое травление по сравнению с жидкостным позволяет получать более чистые поверхности. Однако оно имеет ограниченное применение из-за высоких температур обработки, необходимости использования особо чистых газов и возможного подтрава при травлении через маску. Однако в тех случаях, когда газовое травление совместимо с последующим процессом (например, наращивание эпитаксиальных слоев кремния на кремнии), его применение целесообразно.

4.7 Термообработка

Термообработка также относится к сухим методам очистки. Сущность этого метода состоит в нагреве пластин или подложек до температуры, при которой происходит удаление адсорбированных поверхностью загрязнений, разложение поверхностных органических загрязнений и испарение летучих соединений. Нагрев (отжиг) проводится в вакуумных или термических установках непосредственно перед проведением основных операций формирования полупроводниковых или пленочных структур. Эффективность очистки зависит от температуры, максимальное значение которой ограничено температурой плавления очищаемых материалов и процессами диффузии примесей. Обычно ис-

пользуют температуру отжига 800–900 °С.

83

4.8 Контрольные вопросы

1.Назвать основные виды загрязнений.

2.Назвать основные методы жидкостной и сухой очистки.

3.Что собой представляют методы физического обезжири-

вания?

4.Каков механизм химического обезжиривания?

5.Как получают особо чистую деионизованную воду?

6.Каков механизм физического обезжиривания?

7.Какова роль поверхностно-активных веществ в процессе очистки?

8.В чем состоит механизм ультразвуковой очистки?

9.Какова сущность процесса химического травления?

10.Что такое селективность травления?

11.Каковы условиядляполирующего химического травления?

12.Что такое анизотропность травления?

13.Как обеспечивается газовое травление?

14.Каков механизм очистки путем термообработки?

84

5ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИОННОПЛАЗМЕННОГО И ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ

Ионное травление представляет собой процесс удаления (травления) материала по всей плоскости (очистка) или только по рисунку, задаваемому маской, с целью создания требуемых конфигураций элементов ИМС.

Сущность ионного травления состоит в удалении поверхностных слоев материала при его бомбардировке потоком ионов инертных газов высокой энергии. Ускоренные ионы при столкновении с поверхностью пластин или подложек передают их атомам свою энергию и импульс. Если во время столкновения энергия, передаваемая атому, превышает энергию химической связи атомов в кристаллической решетке, а импульс, сообщаемый атому, направлен наружу от поверхности, то происходит смещение атомов и их отрыв от поверхности — распыление.

5.1 Механизм ионного травления

При соударении ускоренного иона с атомами полупроводниковой подложки происходит передача импульса от иона атомам подложки. Если энергия первичного иона достаточно велика, т.е. значительно больше, чем энергия, необходимая для смещения атома из кристаллической решетки, то возникает каскад столкновений, приводящий к выбиванию атомов из узлов кристаллической решетки.

Распыление поверхности подложки (травление) происходит в том случае, когда участвующие в столкновениях атомы передают поверхностным атомам энергию, превышающую поверхностную энергию связи (рис. 5.1).

Таким образом, механизм ионного распыления состоит в том, что падающий ион передает импульс атомам решетки материала мишени. Смещенные атомы в свою очередь передают импульс другим атомам решетки, вызвав тем самым каскад столкновений. Если поверхностный атом получит энергию, достаточную для разрыва связи с ближайшими соседями, а импульс будет направлен в сторону от поверхности, то он оторвется и покинет поверхность.

85

+

= 1–2 нм

+ – ион – смещенный атом

– передача импульса

Рис. 5.1 — Схема передачи импульса от иона к атомам кристаллической решетки, их смещения и распыление поверхностных атомов

Энергия атома, покидающего поверхность мишени, равна или превышает энергию испарения данного материала и составляет лишь небольшую часть (1–10 эВ) от энергии бомбардирующего иона (10–100 кэВ). Остальная энергия иона расходуется на смещение атомов из узлов кристаллической решетки (образование радиационных дефектов) и нагрев мишени.

Общее число смещенных атомов в каскаде столкновений определяется выражением:

п∑ = Еi / 2Есв,

где Еi — энергия иона;

Есв — энергия связи атомов в кристаллической решетке. Общее число смещенных атомов, передающих импульс к

поверхности кристалла, будет составлять

В общем случае число смещенных атомов, передающих импульс из объема материала к поверхности, зависит от отношения

ma mi ,

где mi — масса иона; mа — масса атома.

86

При mа / mi > 1 число атомов, движущихся к поверхности, увеличивается из-за повышения вероятности рассеяния первичного иона на большие углы, поэтому большая часть смещенных атомов сконцентрирована вблизи поверхности. Если же mа /mi < 1, то ион при столкновении рассеивается на малые углы; импульсы смещения, движущиеся по направлению к поверхности, зарождаются на больших глубинах, что уменьшает вероятность их выхода на поверхность.

Существует пороговая энергия распыления ЕS, ниже кото-

рой распыление не происходит. При Еi > ЕS с ростом энергии иона Еi возрастает количество атомов в поверхностных слоях мишени, которым в результате торможения первичного иона будет передана энергия, большая энергии связи. Обычно пороговая энергия составляет 10–30 эВ. Однако заметное ионное распыление наблюдается при энергии ионов более 100 эВ.

5.2 Коэффициент ионного распыления

Количественной характеристикой процесса ионного распыления является коэффициент распыления Кр, равный количеству атомов, выбитых с поверхности решетки одним бомбардирующим ионом:

где К — коэффициент, характеризующий физическое состояние мишени;

mi, mа — массы бомбардирующего иона и атома мишени; Еi — энергия иона.

Длина свободного пробега иона

где dia — диаметр сечения столкновения иона и атома; па — концентрация атомов в мишени.

Для понимания физикохимических процессов, протекающих при ионно-плазменном распылении, рассмотрим зависимость коэффициента распыления от параметров состояния системы.

Зависимость Кр от энергии ионов представлена на рис. 5.2.

87

Как видно из рис. 5.2, при относительно низких энергиях Кр почти линейно возрастает с увеличением энергии ионов. Однако при высоких энергиях происходит замедление роста и затем снижение Кр. Это связано с тем, что с ростом энергии ионов возрастает глубина проникновения его в толщу материала. Смещенным же на большой глубине атомам оказывается труднее передать импульс, полученный от иона, поверхностным атомам. Поэтому при больших энергиях ионов (Еi > 100 кэВ) коэффициент распыления Кр снижается.

бомбардирующих ионов

На рис. 5.3 показана зависимость коэффициента распыления от атомного номера бомбардирующих ионов, обладаю-

щих энергией Еi = 45 кэВ. Из рисунка следует, что коэффициенты распыления максимальны для ионов инертных газов и минимальны — для элементов, расположенных в центральных столбцах периодической системы элементов (Al, Тi, Zr, Нf и др.).

Коэффициент распыления различных материалов ионами одного и того же элемента также немонотонно зависит от порядкового номера элемента мишени (рис. 5.4). Периодичность функции Кр(z2) связана с периодичностью изменения энергии связи атомов.

Зависимость коэффициента распыления от угла падения иона представлена на рис. 5.5.

88

При изменении угла падения ионов сначала наблюдается значительное увеличение Кр в области 50° — 70°. Это объясняется тем, что глубина, на которой возникают смещенные атомы, с ростом угла падения становится ближе к поверхности. При этом облегчаются условия выхода импульсов смещенных атомов на поверхность. Однако при дальнейшем росте угла падения возрастает доля отраженных ионов и коэффициент распыления уменьшается.

Распыляемые с поверхности мишени атомы имеют широкий разброс по энергиям (от 0,5 до 104 эВ). Однако основная их доля обладает энергией от 1 до 16 эВ.

При распылении аморфных или поликристаллических ми-

шеней распределение распыленных атомов по углам вылета

близко к закону косинуса J = Jocosθ (рис. 5.6, а), т.е. большинство распыленных частиц вылетает в направлении, близком к нормали. Однако при распылении монокристаллов распределение имеет более сложную зависимость.

В распределении выбитых атомов по углам вылета появляются направления, в которых число выбитых атомов будет больше, чем в других направлениях (рис. 5.6, б). Как правило, в направлении наиболее плотной упаковки атомов в кристаллической решетке наблюдается преимущественное распыление атомов. Объяснить это можно тем, что вдоль направления наиболее плот-