2 Плазмохимические процессы
2.1 Плазмохимическое осаждение
Осаждение материал на подложку с помощью плазмохимических реакций (рисунок 1) и процессов имеет характерные черты и особенности по отношению к другим видам осаждений.
Реакции получения покрытий, протекающие с помощью плазмы низкого давления, могут осуществляться несколькими способами. Во-первых, при реактивном распылении происходит химическое взаимодействие материала на поверхности мишени с химически активной плазмой или взаимодействие атомов мишени, осаждённых на поверхности подложки. Например, можно использовать распыление кремниевой мишени в среде О2 или N2 для осаждения плёнок оксида или нитрида кремния.
|
Рисунок 1 – Плазмохимическое осаждение |
Другой разновидностью плазменных процессов является плазменное оксидирование, нитрированные и карбонизация, когда материал подложки, взаимодействуя с кислород-, азот- или углеродсодержащими газами, образует защитное покрытие.
Третью группу плазменных процессов составляют так называемые процессы плазменной полимеризации, когда осаждение органической плёнки происходит в результате химического взаимодействия газовой фазы с поверхностью в условиях тлеющего разряда. Таким образом были получены углеводородные и фторуглеродные плёнки.
Наконец, наиболее важное для микроэлектроники применение метода создания покрытий в условиях тлеющего разряда состоит в получении неорганических диэлектрических слоёв путём стимулированного или усиленного плазмой осаждения из газовой фазы. В этих процессах в газовой фазе происходят диссоциация и ионизация сила-нов или галогеносиланов и азот- или кислородсодержащих соединений, сопровождающиеся их адсорбцией и взаимодействием на поверхности подложки.
Качественное описание механизма образования плёнок при стимулированном плазмой осаждении может быть сведено к трём основным стадиям: генерации в разряде радикалов и ионов, адсорбции радикалов и ионов на поверхности плёнки и перегруппировке поверхностных адатомов (адсорбированных или присоединённых атомов).
В условиях, характерных для разряда, используемого в процессах осаждения, энергия электронов сравнительно низка и скорость генерации радикалов намного превышает скорость образования ионов. Вследствие высокого коэффициента аккомодации радикалы легко адсорбируются на поверхности подложки, где подвергаются различным воздействиям, включая электронную и ионную бомбардировку, перегруппируются, взаимодействуют с другими адсорбированными частицами, образуют новые связи и таким образом обеспечивают формирование и рост плёнки.
Химические процессы на поверхности, в частности процессы десорбции, могут стимулироваться ионной бомбардировкой, и в значительно меньшей степени – электронной и фотонной бомбардировками.
2.2 Плазмохимическое травление
Травление материала в плазме, как и в случае плазмохимического осаждения имеет свои особенности протекания.
Вообще существует несколько разновидностей плазмохимического травления, которые приведены на рисунке 2.
|
Рисунок 2 – Плазмохимическое травление |
Плазмохимическое травление (ПХТ) – удаление материала поверхности в химически активной плазме. Плазма формируется из галогеноуглеродов кислорода, водорода, их смесей и других газов. Образование химически активной плазмы происходит в электрическом разряде. Наиболее удобны для этой цели ВЧ и СВЧ разряды. Продукты взаимодействия частиц плазмы, в основном радикалов, с материалами должны обладать равновесным давлением пара, достаточным для их удаления откачкой при температурах, близких к комнатной.
Радикалы, возникающие при диссоциации молекул газа, хемосорбируются на поверхности обрабатываемого материала, объединяя свои неспаренные электроны с атомами, имеющими свободные валентности, т.е. с активными центрами на поверхности. Между радикалами и атомами материала образуются прочные ковалентные связи.
Плазмохимическое травление проводится при давлениях 10−1–102 Па. Процесс позволяет получать структуры травления с разрешением, примерно равным толщине вытравливаемого слоя. Относительно низкая разрешающая способность процесса определяется диффузным движением частиц плазмы к обрабатываемой поверхности. Основное применение плазмохимического травления – травление элементов топологии, очистка поверхности и удаление фоторезиста после операций фотолитографии.
ПХТ бывает двух видов: плазменным (ППТ) и радикальным (РПТ). При ППТ материал травится в среде химически активной плазмы, а при РПТ материал ограждается от плазмы и травится радикалами, вытянутыми из неё и перенесёнными к травящемуся материалу.
Ионно-химическое травление (ИХТ) – травление материалов направленными пучками химически активных ионов. Энергетические ионы, обладающие высокой кинетической энергией, бомбардируют поверхность материала. При этом происходит нейтрализация ионов, их внедрение в обрабатываемый материал и фрагментация на составные элементы – атомы. Как правило, ионы в процессах ИХТ представляют собой многоатомные образования. После фрагментации происходит химическая реакция составных частей иона с обрабатываемым материалом. Наблюдается и физическое распыление материала.
При малых энергиях превалирует химическое взаимодействие, при высоких – физическое. Химическая природа процесса ионно-химического травления обеспечивает его высокую селективность (избирательность) воздействия на различные материалы. Направленное движение ионов и низкое давление газа 10−2–10−1 Па обеспечивают направленность и высокое разрешение процесса ионно-химического травления.
Можно выделить следующие стадии процесса травления: доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда; превращение молекул рабочего газа в энергетические и химически активные частицы в плазме; доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала; взаимодействие этих частиц с поверхностью материала; отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.
Скорость гетерогенных многостадийных процессов определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Следовательно, для нахождения закономерностей процессов плазмохимического травления материалов надо выявить лимитирующую стадию и определить, какие параметры влияют на её скорость.
ИХТ бывает реактивным ионно-плазменным (РИПТ) и реактивным ионно-лучевым (РИЛТ). Отличие одного от другого состоит в том, что в случае РИПТ с материалом взаимодействуют ионы и радикалы химически активной плазмы, а в случае РИЛТ – ионы и радикалы химически активной плазмы, при этом сам материал не находится в плазменной среде.
Ионное травление (ИТ) – удаление поверхностных слоёв материала за счёт бомбардировки поверхности ионами инертных газов. ИТ бывает ионно-плазменным (ИПТ) и ионно-лучевым (ИЛТ). Одно отличается от другого тем, что в случае ИПТ обрабатываемый материал помещается на катод в газоразрядном пространстве и подвергается бомбардировке ионами, взятыми из плазмы. В случае ИЛТ материал бомбардируется ионами, взятыми из автономного ионизатора, при этом сам материал не находится в плазменной среде.