3.2.Ионно-плазменное травление

Термином «ионно-плазменное травление» (ИПТ) принято описывать физический процесс удаления материала с поверхности твердой фазы (подложки-мишени) под действием среднеэнергетичных (1—10 кэВ) ионов инертных газов, падающих на эту поверхность. Распыление атомов происходит в том случае, когда энергия, передаваемая ионом при столкновении с мишенью, превышает энергию межатомного взаимодействия в распыляемом материале (спектральные методы позволяют определить величину пороговой энергии, которая, как правило, составляет (1.6—4)-10^-19 Дж. Процесс ионного, травления характеризуется коэффициентом распыления, определяемым как отношение выбитых из мишени атомов к числу падающих ионов.

Коэффициент распыления зависит от свойств материала, который подвергается травлению, от массы и энергии падающих ионов, угла их падения на мишень и состояния ее поверхности (наличия на поверхности химических соединений или посторонних загрязнений), но, как правило, слабо зависит от температуры мишени (в отдельных случаях наблюдается даже уменьшение коэффициента распыления с ростом температуры мишени).

Типичную кривую зависимости коэффициента распыления от энергии падающих ионов (Рис. 2) можно условно разделить на три основных участка.

Рис. 2. Зависимость коэффициента распыления от энергии ионов.

Первый участок (I) соответствует диапазону энергий, при которых практически отсутствует ионное травление или, по крайней мере, оно не превышает 10^-4 атом/ион. Справа этот участок ограничен предполагаемой пороговой энергией распыления.

На втором участке (II) при энергиях от 1.12-10^-17 до 1.6-10^-15 Дж (от 70 до 10 000 эВ) коэффициент распыления возрастает с ростом энергии ионов. На третьем уча (III) при энергии ионов свыше 4.8-10^-15Дж (30 000 эВ) коэффициент распыления снижается по мере увеличения энергии. Это снижение приписывают проникновению ионов в глубь кристаллической решетки, когда основная доля их энергии теряется в объеме мишени, а не на ее поверхности. По этой причине ионное травление обычно осуществляется при энергиях ниже нескольких килоэлектронвольт, а в качестве ионизируемых используют благородные газы, которые наряду с высокой распылительной способностью имеют важное свойство не вступать в химические реакции с материалом мишени.

Положение максимума коэффициента распыления сильно зависит от массы бомбардирующих ионов.

Для легких ионов (водород, гелий) максимум достигается при энергии в несколько тысяч электронвольт, в то время как для тяжелых ионов (ксенон, ртуть) максимум находится при энергиях больше 1.6-10^-14 Дж (10⁵эВ).

В настоящее время не существует достаточно полной теории механизма и закономерностей ионного травления, объясняющей все процессы, происходящие при разрушении поверхности материала мишени под действием бомбардирующих высокоэнергетических ионов. Наибольшее признание получила теория, основанная на рассмотрении механизма передачи момента количества движения бомбардирующего иона атомам мишени. Согласно упомянутой теории, ион ударяется о поверхность мишени и, обладая значительной энергией, проникает на некоторую глубину. При перемещении в кристаллической решетке этот ион в результате столкновений смещает ряд атомов решетки из их равновесного положения. Всякий раз, когда первичный ион сталкивается с очередным атомом решетки и смещает его, ион теряет часть своей энергии. Растеряв таким образом энергию, первичный ион задерживается на некоторой глубине от поверхности. Смещенные атомы могут получить значительную энергию и при своем перемещении в мишени произвести дополнительное смещение других атомов и т. д. Часть смещенных таким образом атомов достигает поверхности мишени. Если энергия таких атомов превышает энергию сублимации (сублимация (возгонка, от лат. sublimo- возношу), переход в-ва из твердого состояния непосредственно (без плавления) в газообразное. Сублимация подчиняется общим законам испарения.), то они покидают поверхность мишени. Смещенный атом, достигающий поверхности, может отдать часть своей энергии приповерхностному атому и, таким образом, оторвать его от мишени.

Основная масса распыляемых атомов имеет энергию порядка 10^-18 Дж. При этом с увеличением энергии ионов доля распыляемых атомов с большей энергией возрастает. При больших энергиях бомбардирующих ионов (10^-15—10^-14 Дж) энергия распыляемых атомов достигает уровня 10^-17 Дж.

Принципиальная схема установки для ионно-плазменного травления приведена на Рис. 3, а.

Рис. 3. схемы установок для ионно-плазменного травления: а – ионнолучевая; б – высокочастотная.

Установка содержит ионную пушку 1, нейтрализатор 2 и держатель подложек 3. Ионная пушка создает фокусированный поток ионов, вытягиваемых из плазменного разряда, ограниченного внутренним пространством пушки, а нейтрализатор (обычно это термокатод) служит эмиттером электронов, направляемых на подложку для компенсации возникающего на ней положительного заряда. Держатель подложек имеет водоохлаждаемую конструкцию и может вращаться вокруг оси, угол которой произвольно меняется в заданной области. Последнее сделано с целью подбора оптимальных углов падения ионов на подложки при травлении. Важным достоинством описываемой конструкции установки ИПТ является то, что образец отделен от области формирования плазмы промежутком, в котором можно создать условия хорошего вакуума (1.3-10^-2 Па и ниже) и, таким образом, исключить нежелательные процессы столкновения ионов с молекулами остаточных газов в реакционно-разрядной камере.

Принципиальная схема установки для ИПТ, использующая высокочастотный разряд в газах, приведена на Рис. 3, б. Установка содержит водоохлаждаемый пьедестал (катод), на который помещаются обрабатываемые подложки. Приложенное высокочастотное напряжение порядка нескольких киловольт инициирует разряд плазмы между катодом и анодом, образующиеся ионы ускоряются в прикатодной области темного пространства и бомбардируют поверхность обрабатываемых пластин, вызывая распыление атомов. Поскольку подвижность электронов выше подвижности ионов, в отрицательный полупериод электроны успевают зарядить конденсатор до пикового значения напряжения, и на катоде имеется постоянное отрицательное смещение, необходимое для протекания процесса катодного распыления.

Рассмотренная выше система высокочастотного ионно-плазменного травления имеет недостаток, заключающийся в том, что отсутствует возможность контролировать угол падения ионов. Последнее, как показали экспериментальные исследования, является необходимым условием управления формой края в вытравливаемом топологическом элементе ИС.