ГЛАВА 4. Процессы плазменной обработки неорганических материалов

5. Радикальное травление (РТ)

Радикальное травление представляет собой химическую реакцию взаимодействия атомов и радикалов, образующихся в условиях разряда, с материалом подложки. При этом обрабатываемый материал находится в зоне послесвечения, то есть отделен от плазмы перфорированным металлическим цилиндром, газовым промежутком или другим способом. В таких условиях практически исключено попадание на поверхность электронов и ионов и значительно ослаблено воздействие излучения плазмы. Доставка атомов или радикалов из зоны разряда к обрабатываемой поверхности осуществляется с потоком газа или за счет диффузии. Радикальному травлению подвергаются материалы, которые образуют стабильные летучие соединения с активными частицами и не требуют при этом активации реакции травления заряженными частицами или физического распыления их поверхности.

РТ может осуществляться в реакторах с перфорированным цилиндром или в реакторах с объемным разделением плазменной и реакционной зон. Различие между реакторами внутри каждого типа состоит в расположении элементов, способах загрузки подложки, входа и выхода газа. В цилиндрических реакторах с перфорированным цилиндром используется возбуждение плазмы индукционным и емкостным способами (рис. 1). В обоих случаях разряд является безэлектродным. Перфорированный цилиндр изготавливается из углеродистой стали, никеля или алюминия, имеет прозрачность не менее 25% и диаметр отверстий более 3 мм (он должен быть больше длины свободного пробега частиц, чтобы не препятствовать их проникновению внутрь цилиндра). Наиболее широко применяются цилиндрические реакторы с горизонтальным расположением оси, что удобно для кассетной загрузки подложек. Цилиндрические реакторы с перфорированным цилиндром широко используются в промышленности.

Рис. 1. Типичные конструкции реакторов для проведения процесса РТ: 1 – вакуумная камера, 2 – линия подачи газа, 3 – линия откачки, 4 – перфорированный цилиндр, 5 - обрабатываемые подложки, 6 – индуктор, 7 – конденсаторные обкладки.

Значительное улучшение равномерности (до 0.5 - 1%) достигается при индивидуальной обработке подложек с расположением их перпендикулярно потоку протекающего через реактор газа. При индивидуальной обработке разрядную камеру можно выполнить в виде отдельного устройства, которое присоединяется к реакционной камере. Подложки можно последовательно вводить в поток активного газа, вытекающий из разрядной камеры, а затем перемещать на другую позицию, где будет проводиться следующая операция травления или нанесения слоев материала с помощью другой разрядной камеры. Таким образом, индивидуальная обработка подложек позволяет совместить несколько операций в одном вакуумном цикле и создать установки непрерывного действия, что чрезвычайно затруднено при кассетной загрузке подложек. Появляется также возможность индивидуального контроля каждой подложки и облегчается автоматизация процесса.

Скорость РТ при одних и тех же операционных параметрах процесса (удельной мощности разряда, давлении газа, скорости потока газа и др.) всегда меньше скорости ПТ из-за рекомбинации ХАЧ при доставке из зоны плазмы в реакционную зону и отсутствия стимуляции химических реакций ионной бомбардировкой и излучением плазмы. На изменение скорости РТ с удалением подложек от зоны плазмы влияют любые факторы, определяющие убыль потока ХАЧ при постоянных операционных параметрах: материал реактора, его размеры и температура стенок. Эти факторы определяют скорость гетерогенной рекомбинации ХАЧ на пути от зоны плазмы до обрабатываемой поверхности. Очевидно, что при данной величине наибольшая скорость травления будет обеспечиваться теми ХАЧ, которые имеют наименьшую вероятность рекомбинации или наибольшее время жизни. Например, при разряде в смеси CF₄+O₂ возможно образование радикалов COF, которые имеют значительно большее время жизни, чем атомы фтора. Это служит объяснением роста скорости РТ при увеличении содержания O₂. Наличие максимума обусловлено снижением скорости генерации ХАЧ из-за уменьшения доли фторсодержащих молекул в исходной плазмообразующей смеси.

Для процессов РТ, протекающих в кинетическом режиме, характерна аррениусовская зависимость скорости от температуры. Энергии активации, определяемые по температурным зависимостям скоростей травления, не являются истинными, так как представляют интегральный эффект протекания не только самой химической реакции, но и адсорбционно-десорбционных процессов с участием как ХАЧ, так и продуктов реакции. Например, при РТ в CF₄ в зависимости от условий процесса энергии активации для кремния (поли- и монокристаллического) составляют 3.8 -10.5 кДж/моль, двуокиси кремния 17.1 - 18.0 кДж/моль. Увеличение мощности разряда при радикальном травлении увеличивает скорость травления вследствие возрастания скорости генерации ХАЧ в разрядной зоне и, следовательно, повышения их концентрации в реакционной зоне.

Давление является важным параметром, влияющим на равномерность и анизотропию радикального травления. С понижением рабочего давления увеличивается анизотропия, а следовательно, и разрешающая способность процесса. Это явление, как и при плазменном травлении, связано с увеличением длины свободного пробега и уменьшением рассеивания активных частиц вследствие столкновений. При этом уменьшается вероятность попадания активных частиц на боковые стенки подвергаемых травлению элементов, особенно если эти элементы небольшие. Возможно радикальное травление, при котором давление в реакционной и разрядной камерах различно. В этом случае играет роль не только значение давления, но и его перепад между камерами, который будет определять величину и скорость потока газа, доставляющего активные частицы к подложкам.

Когда лимитирующей стадией РТ является доставка ХАЧ к поверхности, скорость процесса зависит от площади обрабатываемой поверхности, то есть проявляется загрузочный эффект. Для процессов, протекающих в кинетическом режиме, такая зависимость отсутствует.

Кроме операционных параметров существует ряд неуправляемых и трудноконтролируемых факторов, которые оказывают влияние на скорость РТ. Это в первую очередь вид и состояние поверхности обрабатываемого материала, а также наличие примесей в рабочем газе.

По сравнению с плазменным и реактивным ионно-плазменным травлением, РТ обладает следующими преимуществами:

При РТ температура обрабатываемых подложек значительно ниже, поэтому может быть получена большая селективность травления различных материалов. Так, отношение скоростей травления Si/SiO₂ в CF₄ при плазменном травлении равно 8 - 10, а при радикальном травлении возрастает до 30 - 50. Нагревание подложек, подвергаемых радикальному травлению, происходит вследствие экзотермического эффекта химической реакции и излучения плазмы. Равновесная температура в зоне реакции при радикальном травлении внутри перфорированного цилиндра обычно не превышает 150°С, что значительно ниже температуры, которая установилась бы при отсутствии цилиндра. Это можно объяснить отсутствием внутри цилиндра рекомбинации заряженных частиц, при которой выделяется большое количество тепла, а также отсутствием ионной и электронной бомбардировки обрабатываемых подложек.
При некоторых режимах возможно РТ через незадубленные фоторезистивные маски. Хорошая стойкость фоторезиста при радикальном травлении позволяет использовать тонкие маски (0.1—0.3 мкм) и получать более высокое разрешение элементов микросхем.
Отсутствие ионной бомбардировки поверхности пластин исключает термические и радиационные повреждения кристаллических структур, а также и появление индуцированных зарядов на обработанной поверхности. Последнее особенно важно при производстве МДП структур.

Так как РТ обеспечивается только химической реакцией между активными частицами и атомами обрабатываемого материала, его основным недостатком является изотропность, то есть скорость травления по нормали к поверхности близка к скорости бокового подтравливания. На величину подтравливания оказывают влияние, в основном, три фактора: температура обрабатываемых подложек, площадь, подвергаемая травлению, и состав рабочего газа. Снижение рабочего давления позволяет добиться анизотропного радикального травления. Так, при давлениях меньше 1 Па может быть достигнут показатель анизотропии 8 - 12 и, соответственно, минимальный размер элементов 0.3-0.5 мкм. Таким образом, освоение области субмикронных размеров связано с созданием систем радикального травления, работающих при давлениях меньше 1 Па.