ГЛАВА 4. Процессы плазменной обработки неорганических материалов

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.
Hosted by uCoz