3.3. Плазмохимическое травление

Термин «плазмохимическое травление» обычно используется для обозначения процессов удаления вещества с поверхности твердой фазы (подложки), которые реализуются в среде сравнительно низкоэнергетичной (низкотемпературной) плазмы, активных газов. В этом случае протекает процесс так называемого реактивного распыления, отличающийся от рассмотренного выше ионно-плазменного распыления прежде всего тем, что удаление вещества с поверхности подложки происходит не в результате передачи высокой кинетической энергии падающего иона атомом мишени, а в основном вследствие образования на поверхности легколетучих химических соединений. Таким образом, в методе плазмохимического удаления вещества реализуется прежде всего высокая химическая реакционная способность плазмы.

По сравнению с обычными методами жидкостной химической обработки метод плазмохимического травления (ПХТ) обладает рядом важных преимуществ:

1. Плазмохимическое травление — процесс сухой и менее опасный, используемые реактивные газы безвредны, невоспламеняемы и, как правило, значительно дешевле химикатов для жидкостного травления.

2. Плазмохимическое травление обеспечивает более высокую разрешающую способность и меньшую степень бокового подтравливания.

3. При плазмохимическом травлении появляется возможность совместить в одной и той же камере ряд последовательно выполняемых операций травления, снятия фоторезиста. и очистки поверхности. Это сокращает технологический цикл обработки подложек (ликвидируются операции промывки и сушки), уменьшается вероятность повреждения или загрязнения пластин. Кроме того, в технологии жидкостного химического травления процесс травления может неконтролируемым образом продолжаться во время переноса подложки из резервуара с жидким травителем в резервуар для промывки; метод ПХТ свободен от указанного недостатка.

4. При плазмохимическом травлении резко уменьшается количество побочных продуктов по сравнению с методом жидкостного химического травления.

5. Плазмохимическое травление дает возможность осуществить полную или частичную автоматизацию процесса.

В методе ПХТ обычно используется высокочастотная (ВЧ) газоразрядная плазма низкого или пониженного давления. При этом ВЧ газовый разряд в реакционном пространстве, как правило, возбуждается либо индуктором, либо электродами, которые находятся вне реакционного пространства. Такой метод обеспечивает чистоту химических процессов, сопровождающих удаление вещества с поверхности подложки, поскольку удается избежать нежелательных эффектов взаимодействия плазмы с материалом электродов, как это имеет место при возбуждении разряда постоянным током, когда электроды внесены в реакционный объем камеры.

Оборудование для проведения процесса ПХТ с использованием ВЧ метода возбуждения плазмы можно разделить на два основных класса — системы конденсаторного типа с параллельно расположенными электродами, на одном из которых лежат подложки, и установки травления с высоким плазменным давлением, в которых обрабатываемые пластины устанавливаются вертикально в кассете и со всех сторон омываются плазмой («плавают» в плазме).

На Рис. 4 показана система конденсаторного типа для обработки пластин в плазме низкого давления (<13 Па).

Рис. 4. Принципиальная схема системы травления в плазме низкого (а) и высокого (б) давления: 1 – реакционно-разрядная камера; 2 – обрабатываемые пластины; 3 – пьедестал; 4 – электрод; 5 – ВЧ-генератор.

Нижний предел давления зависит от расстояния между ВЧ-электродом и заземленным цилиндром вокруг него. Как правило, оно составляет 4—5 мм. Обычно ВЧ-электрод выполняют в виде водоохлаждаемого пьедестала из алюминия или меди, причем с целью снижения вероятности распыления материала электрода его часто покрывают слоем кварца или поликристаллического кремния. Конструктивным недостатком указанных систем является необходимость внесения, по крайней мере, одного электрода в объем реакционной камеры.

На Рис. 5 приведены принципиальные схемы установок для ПХТ в плазме высокого (13—133 Па) давления, отличающиеся способом ВЧ возбуждения плазмы (индуктивное, емкостное).

Рис. 5. Прнципиальная схема системы плазменного травления с индуктивным (а) и емкостным (б) методом возбуждения ВЧ-разряда: 1 – кассета для подложек; 2 – обрабатываемые пластины; 3 – катушка индуктора; 4 – реакционно-разрядная камера; 5 – ВЧ-генератор; 6 – конденсаторные платины.

Процессы ПХТ сопровождаются протеканием сложных гомогенных и гетерогенных реакций, и до настоящего времени нет единой химической теории, позволяющей объяснить многие экспериментально полученные результаты.

Так, например, в начальный период освоения плазмохимического травления кремния и его соединений в плазме, содержащей фтор, считали, что этот процесс сводится к взаимодействию обрабатываемой поверхности кремния с радикалами фтора Р, обладающими чрезвычайно высокой реакционной способностью.

Образующиеся газообразные продукты удаляются из реакционно-разрядной камеры при откачке.

Однако позднейшие исследования показали, что в процессе ПХТ активное участие в химических реакциях способны принимать и те газы, которые присутствуют в реакционной камере после ее предварительной откачки, так как предварительная откачка осуществляется до давления 6.66—1.33 Па.

В настоящее время продолжается интенсивный поиск эмпирических закономерностей рассматриваемого процесса и выявление оптимальных технологических режимов его реализации.