22.1 Селективное травление п/п

Энергетическая неоднородность поверхности реальной монокристал­лической подложки приводит к избирательности процесса травления, его ускорению в местах скопления дефектов кристаллической структуры (в мес­тах с повышенной поверхностной энергией) в условиях, когда лимитирую­щими стадиями процесса являются кинетические стадии. Чувствительность к наличию дефектов определяет другое название селективных травителей -структурно-чувствительные. Примером структурно-чувствительного травителя для кремния является травитель Сиртла, представляющий собой смесь водного раствора окиси хрома и плавиковой кислоты.

Селективным действием обладает рассмотренный ранее травитель на основе плавиковой и азотной кислот в условиях избытка азотной кислоты, т.е. в условиях анодного контроля.

Наряду с выявлением дефектов кристаллической структуры селек­тивное травление позволяет по конфигурации ямок травления опреде­лить кристаллографическую ориентацию подложек.

Энергетическая неоднородность поверхности пластины может быть связана не только с увеличением поверхностной энергии в местах выхода дислокаций, дефектов упаковки, но и с наличием на поверхности разнородных материалов, скорости травления которых существенно различны. На этой особенности основан ряд самосовмещенных процес­сов травления.

2.1 Классификация процессов сухого травления

Травление - это процесс удаления вещества, например путем рас­творения, с поверхности твердых тел. Удаление может быть осуществ­лено в результате химического взаимодействия жидкого (или газообраз­ного) травителя с поверхностью подложки. В общем случае в роли травителя (активной среды) может выступать жидкий травитель, парога­зовая смесь, плазма тлеющего разряда, являющиеся источниками час­тиц, осуществляющих удаление материала и определяющих характер травления. Различают травление технологическое и структурное. Техно­логическое травление направлено на изменение геометрии подложки, формирование микрорельефа поверхности, улучшение состояния поверхно­сти и достижение других технологических целей. Структурное травле­ние позволяет исследовать структуру материала и выявлять дефекты.

Удаление вещества с поверхности подложки в процессах травления в растворах, парогазовых смесях осуществляется за счет химических механизмов, а в растворах электролитов - электрохимических. Для про­цессов сухого травления, т.е. процессов травления в низкотемператур­ной газоразрядной плазме, наряду с химическим взаимодействием эле­ментов плазмы с материалом подложки происходит также физическое, например, распыление материала за счет ионной бомбардировки поверхно­сти. При этом различают травление ионное и ионно-химическое.

2.2 Особенности ионного и ионно-лучевого травления

Ионное травление основано на физическом механизме взаимо­действия высокоэнергетических ионов инертного газа (1-10 кэВ) на обрабатываемую поверхность. Использование инертных газов в качестве

рабочей среды определяет исключительно физический характер воздей­ствия их ионов с поверхностью подложки, что приводит к слабой избирательности такого травления. По способам реализации различают ионно-плазменное и ионно-лучевое травление (см. рис.4.2).

Ионно-плазменное травление (ИПТ) осуществляется при разме­щении обрабатываемой подложки в непосредственной близости от зоны действия плазмы. При этом возможно проведение процесса на больших площадях с высокой равномерностью. Давление рабочего газа (обычно аргона) вблизи обрабатываемой поверхности достаточно высоко (1 Па), что снижает скорость травления.

При ионно-лучевом травлении (ИЛТ) плазма и обрабатываемая подложка пространственно разделены в рабочей камере. Травление осуществляется в вакууме (JO"² - 10"³ Па) выделенным из плазмы, ускорен­ным и сфокусированным ионным пучком (лучом). Возможность регулиро­вать угол падения ионов на поверхность подложки позволяет осуществлять прецизионную обработку и формирование микрорельефа поверхности с более высокой.точностью, чем в случае ионно-плазменного травления.

При ионно-хнмическом травлении наряду с физическим воздей­ствием ионов плазмы на поверхность реализуется химическое взаимо­действие ионов и других элементов плазмы с удаляемым материалом. Использование химически активных газов позволяет повысить скорость и избирательность травления и обеспечивает высокую разрешающую способность. Преобладание химического механизма удаления вещества над физическим позволяет также снизить энергию ионов.

При реактивном ионном травлении (РИТ) в плазме возникают частицы, ускоряющие (катализирующие) взаимодействие используемого газа и материала подложки (например кремния и Cl₂).

Ионное травление

Как ионно-плазменное, так и ионно-лучевое травление основано на использовании образующихся в процессе газового разряда высокоэнер-TeTH¹IHbIx (> 500 эВ) ионов инертных газов, например Ar⁺, Xe⁺, He⁺, Kr⁺, Ne⁺, при реализации исключительно физических механизмов распыле­ния материала.

По способу поддержания газового разряда различают системы:

• с самостоятельным разрядом при постоянном токе;

• с самостоятельным разрядом при переменном токе;

• с искусственным поддержанием плазмы, например с источником термоэлектрической эмиссии.

По числу электродов системы делят на двух-, трех- и многоэлект­родные.

По форме и расположению электродов различают системы плане­тарные и вертикальные.

Наиболее широко для ионно-плазменного травления (ИПТ) исполь­зуется высокочастотная диодная сис­тема на (рис.4.14). Подложка закреп­ляется на катоде и бомбардируется притягиваемыми из плазмы ионами. Отрицательный потенциал поверхно­сти катода (и расположенных на немподложек) ускоряет движение поло­жительных ионов к поверхности подложки. В этом случае к ИПТ применим Д^ля ионно-плазменного травления: термин "катодное распыление".

1 Катод(управляющий электрод) 2 анод (заземленный электрод);

3 источник ВЧ-напряжения;

4 - под­ложки; 5 - рабочий газ;

6 - к насосу

Направление вектора электрического поля в области ионной оболочки перпендикулярно поверхности катода, поэтому при давлении 1,3 - 13,3 Па ионы падают на поверхность под прямым углом, что теоретически должно обеспечивать высокую степень анизотропии А и минимальное смещение литографического рисунка B. Глубина проникновения ионов в материал не превышает нескольких атомных слоев, что создает благо­приятные условия для передачи атомам подложки энергии, достаточной для их удаления с поверхности.

Селективность (избирательность) ионного травления связана с разли­чием в скоростях травления (распыления)

материалов маски и обрабатывае­мого слоя и определяется различием в их коэффициентах распыления.

Коэффициент распыления К_рас характеризует интенсивность про­цесса травления и определяется как

отношение числа выбитых атомов материала подложки к числу падающих на него ионов.

Влияние технологических режимов на скорость и селективность ионного травления. Скорость ионного травления зависит от энергии и угла падения ионов и определяется коэффициентом распыления. Величина коэффициента распыления возрастает с увеличением угла падения ионов. Ионы, падающие на поверхность под наклонным углом, характеризуют­ся более высокой по сравнению с нормальным падением вероятностью эмиссии атома и большей долей энергии, отдаваемой поверхностными атомами. Иными словами, с увеличением угла падения ионов от 0° (от нор­мали к поверхности) до примерно 60 - 70° величина коэффициента рас­пыления и, следовательно, интенсивность распыления растут пропор­ционально энергии, рассеиваемой в приповерхностном слое, в пределах которого упругие столкновения будут приводить к распылению. С уве­личением угла падения до 90° пробег ионов увеличивается, возрастает и число возможных столкновений иона с атомами распыляемого материа­ла. При этом учитывается также и качество самой поверхности: шерохова­тые поверхности характеризуются меньшим значением коэффициента рас­пыления, чем гладкие. Поскольку ионное травление "про­игрывает" другим сухим процессам по селективности, скорости и разрешению, оно используется главным образом для очистки и планаризации поверхностей. ".

Ионно-лучевое травление. В ионно-лучевом травлении источником ионов, как правило, является разряд постоянного тока, ограничиваемый постоянным полем и отделенный от подложки системой электродов (сеток), которые за счет по­данных потенциалов смещения обеспечи­вают экстрагирование ионного пучка (обычно Ar⁺) (рис.4.16). Напряжение вы­ше 500 В достаточно для обеспечения плотности тока ионного пучка на уровне 1 мА/см². Угол падения пучка регулиру­ется наклоном подложкодержателя.

Для нейтрализации ионного пучка и заряда на поверхности подложки на его пути размещается разогреваемая нить накала (термокатод), инжекти­рующая в пучок электроны низких энергий. Разделение в пространстве подложки и области формирования плазмы позволяет создать условия хо­рошего вакуума в рабочей камере.

Регулирование угла падения ион­ного пучка дает возможность контролировать Форму края вытравливаемых топологических элементов. При этом соотношение скоростей травления в вертикальном и горизонтальном направлении может достигать 1:100, т.е. степень анизотропии травления Л * 0,99, что намного лучше по сравнению с результатами ионно плазменного травления.

Таким образом, ИЛТ отличает высокая анизотропия, низкая селек­тивность травления, высокое разрешение и высокая воспроизводимость результатов травления. Невысокая селективность процесса травления ограничивает применение его в технологии приборов и схем с субмик­ронными размерами. Однако ИПТ и ИЛТ остаются незаменимыми для тех материалов, для которых еще не разработаны процессы плазмохи-мического и реактивного ионного травления, например для ниобата лития, гранатов, ортоферритов и т.п. Наряду с этим ионно-лучевое трав­ление используется при изготовлении фотошаблонов.