Классификация физико-химических методов обработки и очистки. Плазменные методы удаления материала с поверхности твердого тела

«Классификация физико-химических методов обработки и очистки. Плазменные методы удаления материала с поверхности твердого тела» МИНСК, 2008 В соответствии с применяемыми средствами очистку делят на жидкостную и сухую. Жидкостная очистка выполняется органическими - растворителями; разнообразными составами, содержащими щелочи, кислоты, пероксид, и другие реактивы, водой.

Подобрать жидкое средство, одновременно удаляющее все возможные поверхностные загрязнения, весьма сложно, поэтому жидкостная очистка включает ряд последовательных операций. Нерастворимые в воде органические жировые загрязнения делают поверхность гидрофобной, т. е. плохо смачиваемой водой и большинством растворов. Для равномерной очистки поверхность подложек (пластин) необходимо перевести в гидрофильное, т. е. хорошо смачиваемое водой, состояние.

Операция удаления жировых за- Рисунок 1 Классификация методов очистки и травления пластин и подложек грязнений, сопровождаемая переводом поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием. Обезжиривание — первая операция при жидкостной очистке. Сухая очистка применяется на этапе формирования элементов и межэлементных соединений микросхем и, как правило, выполняется непосредственно перед проведением ответственных технологических процессов (напыление

пленок, литография) или совмещена, т. е. проводится в одном оборудовании, с последующей обработкой (например, с получением термического оксида, с эпитаксиальным наращиванием полупроводниковых слоев). Методы сухой очистки исключают необходимость применения дорогостоящих и опасных в работе жидких реактивов, а также проблемы межоперационного хранения пластин и подложек и очистки сточных вод, которые являются немаловажными при использовании жидких средств очистки.

Кроме того, процессы сухой очистки более управляемы и легче поддаются автоматизации. С точки зрения механизма процессов все методы очистки можно условно разделить на физические и химические (см. рисунок 1). При физических методах загрязнения удаляются простым растворением, отжигом, обработкой поверхности ускоренными до больших энергий ионами инертных газов. В тех случаях, когда загрязнения нельзя удалить физическими методами, применяют химические методы,

при которых загрязнения удаляют: их замещением легко удаляемыми веществами, переводом в легко растворимые комплексные соединения или травлением пластин (подложек). Травление сопровождается удалением поверхностного слоя вместе с имеющимися на поверхности загрязнениями. На рисунке 1 мы выделили травление, чтобы подчеркнуть, что в технологии микросхем (как будет ясно далее) травление не всегда имеет целью очистку. Оно применяется для размерной обработки, удаления слоя с нарушенной

механическими обработками • структурой, локального удаления слоев различных материалов при формировании топологии микросхем, выявления поверхностных дефектов полупроводников и др. Плазменные методы удаления материала с поверхности твердого тела. Сущность и классификация методов обработки поверхности Плазмохимическое травление, как и ионное, проводят в вакуумных установках и также используют плазму

газового разряда. Плазмохимическое травление (в отличие от чисто физического распыления при ионном травлении) имеет химическую природу. Оно основано на использовании об¬ладающих большой реакционной способностью химически активных частиц, получаемых в плазме газового разряда. Процесс плазмохимического травления можно разделить на ряд этапов: доставка плазмообразующего газа, пара или смеси в камеру вакуумной установки; образование химически активных частиц в газовом разряде;

доставка их к обрабатываемой поверхности; химические реакции с образованием легко летучих соединений; десорбция и удаление образующихся летучих соединений через откачную - систему вакуумной установки. Плазмообразующие газы выбирают исходя из свойств обрабатываемого материала. Для травления кремния и некоторых металлов применяют галогеносодержащие молекулярные газы, так как именно в их плазме образуются необходимые химически активные частицы, переводящие поверхностные слои

в летучие соединения. Для разбавления и обеспечения требуемых параметров травления в плазму дополнительно вводят аргон, кислород, азот. Наиболее часто для травления кремния и его соединений применяют смесь фреона-14 CF4 с (2 8)% кислорода. Присутствие кислорода повышает скорость травления и качество очистки. Фреон-14 относительно инертен, при любых температурах он не взаимодействует с кремнием. В плазме химически активные частицы образуются в результате взаимодействия молекул газа с ускоренными

электронами, которые в отличие от тяжелых частиц обладают существенно большими энергиями. В плазме фреона-14 с кислородом образование химически активных частиц — возбужденного атома фтора F*, положительно заряженного радикала CF3+, атомарного кислорода О — сопровождается реакциями (1) Травление кремния и его соединений сопровождается реакциями: (2) Тетрафторид кремния SiF4 — летучее соединение, легко удаляемое из рабочей камеры установки откачкой.

На поверхности кремниевых пластин возможно образование углерода: Si + CF3+ => C + 3F* + Si + e. (3) Присутствие в плазме кислорода способствует очистке поверхности от углерода за счет его оксидирования до СО или СО2. Кислород также способствует повышению концентрации возбужденных атомов фтора в результате образования радикалов COF* и их диссоциации: COF* => F* + CO . (4)

Это увеличивает скорость травления кремния. Атомарный кислород также очищает поверхность от органических загрязнений. При плазмохимическом травлении физическое распыление прак¬тически отсутствует, так как энергия ионов не превышает 100 эВ. В зависимости от конструкции установок различают плазменное и радикальное плазмохимическое травление. Плазменное травление осуществляют непосредственно в плазме газового травления, т.е. с участием всех химически активных частиц, как с большим (F* — 0,1 1 с), так и с малым, временем

жизни ('CF+з — около 10 мкс). В камерах диодного типа (Рисунок 2) пластины кремния помещают на нижнем медленно вращающемся электроде (0,1 об/с). Пластины электрически, изолированы от электрода, чтобы исключить ионную бомбардировку. Радикальное плазм о химическое травление проводят в области вакуумной камеры отделенной от плазмы газового разряда перфорированным металлическим экраном (Рисунок 3) или магнитными электрическими полями. ВЧ-плазма возбуждается между цилиндрическими поверхностями рабочей камеры и экрана.

Травление осуществляется только нейтральными химически активными атомами О или радикалами F* с большим временем жизни, проникающими из плазмы в зону расположения пластин. Заряженные частицы плазмы не могут попасть к поверхности пластин через отверстия цилиндрического экрана. В зоне, свободной от заряженных частиц, возбужденные атомы фтора и атомарный кислород, многократно соударяясь с молекулами рабочего газа, движутся разупорядоченно, что обеспечивает высокую однородность

травления от пластины к пластине и по площади каждой пластины. Так как возбужденные атомы и свободные радикалы отличаются высокой реакционной способностью, то эффективность травления существенно повышается. По сравнению с ионным травлением при одинаковых параметрах разряда скорость возрастаег более чем на порядок. Благодаря электрической активации газов илазмохимическое травление проводится при существенно меньших температурах 100 300 °С по сравнению с обычным газовым травлением.

Плазмохимическое травление из-за химического механизма обладает высокой избирательностью относительно раз- Рисунок 2. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме: 1 — подача рабочего газа; 2— вакуумная камера; 3 — электрод Рисунок 10.2.1. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме: Рисунок 3. Схема вакуумной камеры для радикального плазмохимического травления:

1 — кварцевая камера; 2— перфорированный цилиндр; 3 — кассета с пластинами (подложками); 4 — ВЧ-индуктор; 5—подача рабочего газа; 6 — откачной патрубок личных материалов (например, F+ травит кремний значительно быстрее, чем диоксид кремния). Благодаря невысокой энергии частиц, поступающих на обра¬батываемую поверхность, радиационные дефекты незначительны. Химический механизм травления обусловливает наличие бою вой скорости травления, что является

недостатком при локальной обработке. К недостаткам плазмохимического травления можно также отнести: ограниченное количество соединений для получения в плазме химически активных частиц, обеспечивающих образование летучих веществ; сложность химических реакций, протекающих в плазме и на обрабатываемой поверхности; большое число взаимосвязанных технологических и конструктивных параметров. Последние трудности преодолеваются по мере изучения и освоения процессов.

Реактивное ионное травление. Реактивное ионное (называемое также ионно-химическим) травление по механизму процесса является комбинированным методом. Удаление обрабатываемого материала происходит в результате его распыления ускоренными ионами и образования легколетучих соединений при взаимодействии с химически активными частицами плазмы. От плазмохимического травления оно отличается тем, что энергия ионов больше и достаточна для распыления, а от ионного травления — тем, что используется не инертная, а содержащая

химически активные частицы плазма. При этом физическое распыление интенсифицирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя межатомные связи на обрабатываемой поверхности, увеличивают скорости распыления. По аналогии с ионным и плазмохимическим травлением реактивное ионное травление может выполняться при расположении обрабатываемых пластин (подложек) в плазме газового разряда (реактивное ионно-плазменное травление) или в вакууме и подвергаться воздействию пучка ионов, полученных в автономно расположенном

источнике (реактивное ионно-лучевое травление). Для реактивного ионно-плазменного и ионно-лучевого травления применяют те же рабочие газы, что и для плазмохимического травления. Оборудование для реактивного ионно-плазменного травления аналогично установкам ионно-плазменного травления. Пластины располагают на электроде, не изолированном от нижнего элект¬рода. Реактивное ионно-лучевое травление выполняют в вакуумных установках, аналогичных установкам для ионно-

лучевого травления. Благодаря химическим реакциям реактивное ионное травление (и плазменное, и лучевое) обладает по сравнению с ионно-лучевым травлением большими скоростями (в 3 15 раз) и избирательностью травления (в 2 10 раз), а по сравнению с плазмохимическим травлением меньшими скоростью травления (в 2 3 раза) и боковой составляющей скорости при локальном травлении. Для уменьшения радиационных дефектов обрабатываемых образцов процессы травления проводят в режимах,

обеспечивающих превышение скорости удаления слоев за счет химических реакций над скоростями распространения дефектов, образующихся вследствие ионной бомбардировки. Очистка поверхности газовым травлением Сущность процесса заключается в химическом взаимодействии обрабатываемого материала с газообраз-ным веществом и образовании при этом легко удаляемых летучих соединений. Загрязнения при газовом травлении удаляются вместе с поверхностным слоем пластин или подложек.

В качестве газов-реагентов для травления кремниевых пластин можно применять галогены, галогеноводороды, соединения серы, пары воды. Небольшие количества этих газов добавляют к газу-носителю (водороду или гелию) и транспортируют в камеру установки. Травление кремния хлористым водородом широко используется перед выращиванием на пластинах кремниевых слоев Si (тв.) + 4НС1 (газ) = SiCl4 (газ) + 2Н2 (газ). (5) Пары хлористого водорода доставляются водородом в реакционную камеру установки

эпитаксиального наращивания, где расположены кремниевые пластины, нагретые до температуры 1150 1250 °С. Газовое травление сапфира водородом, в отличие от жидкостного, позволяет получать поверхность подложек, свободную от механически нарушенного слоя и от микропримесей, что очень важно для последующего выращивания на них слоев кремния. Травление сапфира сопровождается химической реакцией А12О3 (тв.) + 2Н2 (газ) == А12О (газ) + Н2О (газ). (6)

В интервале температур 1200 1600 °С травление сапфира водородом полирующее. Газовое травление по сравнению с жидкостным позволяет получать более чистые поверхности. Во многих случаях газовое травление имеет ограниченное применение из-за высоких температур обработки и необходимости использования особо чистых газов. Однако в тех случаях, когда газовое травление совместимо с последующим процессом (например, с выращиванием на кремниевых пластинах кремниевых слоев), его применение

целесообразно. ЛИТЕРАТУРА 1. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. Учебник для ВУЗов - М; Радио и связь, 2007 - 464 с: ил. 2. Технология СБИС. В 2 кн. Пер. с англ./Под ред. С.Зи М.: Мир, 2006 786 с. 3. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник М.: Радио и связь, 2001 528 с. 4. Достанко

А.П н.: Выш.шк 2000 238 с. 5. Таруи Я. Основы технологииБаранов В.В Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС М СБИС Пер. с англ М.: Радио и связь, 2000-480 с.