3. Рабочие газы для плазменного травления
Плазмообразующая среда в реакторе в
первую очередь должна обеспечить необходимую скорость травления, селективность
и анизотропию. В то же время к рабочим газам предъявляется и ряд побочных
требований - безопасность в работе и отсутствие в продуктах реакции токсичных
соединений, химическая инертность по отношению к конструкционным элементам
установок и откачных средств, отсутствие взаимодействия с маслами вакуумных
насосов, вызывающих их деградацию, и др.
Необходимость травления широкого
ассортимента материалов и обеспечение указанных выше требований привело к
использованию большого количества различных газов и их смесей в технологии плазменного травления.
Инертные
газы применяются в качестве основного
компонента при ионном травлении и входят в состав различных смесей в качестве инертных разбавителей.
Фторсодержащие
газы нашли наиболее широкое
применение при травлении кремния и его соединений, а также ряда металлов 4-6
группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Чаще всего используются углеродные
галогенсодержащие соединения, имеющие общее название хладоны (фреоны). Общая
формула соединений этого типа имеет вид , где - число атомов углерода, водорода, фтора и
хлора (брома) в молекуле хладона. Хладоны обычно распознаются по номерам,
которые записываются как . Наибольшее применение из хладонов получил
тетрафторметан (хладон
14). Общие недостатки этой группы газов - возможность образования токсичных продуктов
в процессе травления, склонность к полимеризации (особенно для сложных
соединений), возможность образования элементарного углерода на обрабатываемой
поверхности (для простых хладонов). Для подавления двух последних эффектов в
рабочий газ часто добавляют кислород. В то же время широкая номенклатура
хладонов и использование их смесей с другими газами (кислородом, водородом,
азотом и т.д.) позволяет создавать рабочие смеси, обеспечивающие необходимую скорость,
селективность и анизотропию процесса практически для любых объектов, образующих
газообразные соединения с фтором. Из других фторсодержащих газов следует
отметить шестифтористую серу , применение которой позволяет достичь
высоких скоростей травления без осаждения на поверхности твердых продуктов
разложения исходного газа. Весьма перспективными являются также фториды азота
(в первую очередь )
и благородных газов (например, ), позволяющие обеспечить максимальную
чистоту процесса плазмохимического травления. Чистый фтор практически не
применяется из-за своей высокой химической активности по отношению к
конструкционным материалам технологического оборудования и токсичности.
Хлорсодержащие
газы используются для травления
металлов и соединений, не образующих газообразных продуктов с фтором – полупроводниковые
соединения типа ,
алюминий, медь и некоторые другие. Источником хлора в плазмохимических процессах
могут служить хлорсодержащие хладоны, ибо в условиях разряда отщепление хлора
происходит в первую очередь. Общие недостатки хлоруглеродных соединений -
высокая степень полимеризации в условиях разряда, что вызывает загрязнение
аппаратуры и обрабатываемого изделия, замедление травления, быструю деградацию
масел вакуумных насосов. Введение кислорода не устраняет полностью
полимеризационные явления, но приводит к образованию ряда токсичных продуктов,
наиболее опасным из которых является фосген . В настоящее время хлоруглеродные газы
вытесняются и , однако применение
чистого хлора сдерживается его высокой токсичностью и химической активностью.
Полезные возможности в плане использования чистого хлора имеет его получение
непосредственно на плазмохимической установке путем термического разложения
хлорной меди по реакции . Устойчивый поток хлора получают при
температуре 350 – 400 0С. Достоинства этого метода – низкие давления
хлора и обратимость химической реакции, что практически исключает превышение
ПДК при аварийной ситуации. Аналогичным образом можно получать и малые
количества газообразного брома.
Прочие
газы. При травлении органических
соединений широкое применение находит кислород, используемый также в качестве
компонента сложных смесей при травлении металлов и полупроводников. Для очистки
поверхности и мягкого травления ряда полупроводников, в первую очередь
соединений ,
может быть использован водород и смеси на его основе.
На
плазменное травление с помощью галогенсодержащих газов благоприятное влияние
оказывают различные газовые добавки, что обуславливает широкое использование в
качестве плазмообразующих сред бинарных газовых смесей. Наряду с традиционными
задаваемыми параметрами процесса (давление газа, скорость потока газа,
вкладываемая мощность) регулирование состава газовой смеси является гибким инструментом
регулирования целевого результата обработки материала. По своему
функциональному назначению газы-добавки могут быть разделены на три большие
группы:
- Газы - стабилизаторы. Здесь
наиболее часто используются благородные газы (Ar, He) и
азот. Добавка этих газов стабилизирует и гомогенизирует разряд, устраняет
эффекты стратификации и осцилляции плазмы в реакторе. В литературе отмечается,
что механизм стабилизирующего действия может быть обусловлен тепловыми свойствами
газа-добавки или изменением электрофизических параметров разряда при изменении
средней энергии и концентрации электронов.
- Газы - травители собственных
(естественных) оксидов. Добавка этих
газов способствует травлению материалов, на поверхности которых изначально
присутствует слой собственного окисла. В качестве примера можно привести
добавку C2F6 к хлору
или тетрахлорметану при травлении кремния, а также добавку BCl3 к хлору при травлении Al и GaAs.
- Газы – очистители. Этот
случай может быть проиллюстрирован добавкой O2 в плазму CF4. Во-первых, кислород насыщает радикалы CFx
(путем перевода в оксифториды CFxОy), предотвращая их рекомбинацию с атомами фтора и тем
самым увеличивая концентрацию химически активных частиц в плазме. Этот же
механизм приводит и к подавлению полимеризации ненасыщенных продуктов распада исходных
молекул на стенках реактора и поверхности обрабатываемого материала. Во-вторых,
кислород способствует газификации углерода, предотвращая высаживание твердых
нелетучих соединений. Оба из перечисленных механизмов работают и при добавке
кислорода к CCl4.
|