ГЛАВА 4. Процессы плазменной обработки неорганических материалов

9. Реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ)

РИЛТ называется процесс, при котором обрабатываемый материал вынесен из зоны плазмы, находится в вакууме и подвергается действию пучка ускоренных ионов химически активного газа. В процессах перезарядки, диссоциации и нейтрализации в пучке и на поверхности обрабатываемого материала эти ионы могут образовывать нейтральные ХАЧ и производить химическое травление. Таким образом, по сравнению с ИЛТ, РИЛТ использует как физическое, так и химическое взаимодействие ионов с поверхностью, что позволяет достигать более высоких скоростей процесса.

Процессы РИЛТ обычно реализуются в системах с автономными ионными источниками, которые можно разделить на три большие группы:

электростатические источники ионов, в которых ионный пучок формируется с помощью электростатической ионно-оптической системы. На выходе из нее осуществляется компенсация объемного заряда ионного пучка при инжекции в него электронов из термокатода;
плазменные ускорители, которые сразу создают пучок ионов с компенсированным объемным зарядом;
многопучковые ионные источники с наложением магнитного поля (источники Кауфмана).

Наличие химической составляющей в механизме РИЛТ приводит к тому, что, кроме энергетических характеристик ионного пучка, скорость процесса становится чувствительной и к составу пучка - этот параметр определяет качественный и количественный состав образующихся нейтральных ХАЧ. Достоинством источников Кауфмана является возможность регулирования состава ионного пучка в достаточно широких пределах при изменении величины индукции магнитного поля (рис. 4.9.1,а). Еще одной важной характеристикой механизма РИЛТ является соотношение вкладов химического и физического взаимодействия. Для ответа на этот вопрос достаточно сравнить выход травления (фактическое количество атомов обрабатываемого материала, удаляемых на один падающий ион) и коэффициент распыления материала при данной энергии ионов . При можно говорить о том, что вклад химического взаимодействия невелик, а основной вклад вносит физическое распыление материала. Напротив, при химическое взаимодействие является доминирующим, при этом отношение тангенсов углов наклона зависимостей и от энергии ионов дает величину коэффициента ионного усиления.

Опыт показывает, что максимально возможный вклад химических реакций в процесс РИЛТ реализуется при энергиях ионов меньше 200 эВ. Это объясняется созданием при определенной критической энергии ионов максимально возможного числа активных центров на обрабатываемой поверхности, на которых протекает взаимодействие ХАЧ.

Основными параметрами, определяющими скорость РИЛТ, количественно являются: плотность пучка, угол падения пучка на подложку, масса и энергия бомбардирующих частиц и степень их химической активности по отношению к обрабатываемому материалу (тип рабочего газа и его давление), степень легирования материала и тип легирующей примеси. Практически скорость РИЛТ лимитируется мощностью, рассеиваемой на подложке, поскольку стойкость органических резистивных масок при достижении температуры 100 – 120 ^оС значительно снижается. Поэтому, хотя плотность мощности известных источников ионов составляет 10^-8 – 10³ Вт/см², предельная плотность мощности для образцов, расположенных на неохлаждаемом подложкодержателе, не должна превышать 0.05 Вт/см², а для образцов на водоохлаждаемом подложкодержателе - 0.5 Вт/см².

С увеличением энергии ионов скорость РИЛТ сначала возрастает, однако при энергиях порядка 1000 эВ выходит на насыщение или снижается. Это связано как со снижением вклада химического взаимодействия, так и с тем, что при высоких энергиях начинают проявляться эффекты имплантации ионов. Зависимость скорости РИЛТ от плотности ионного тока определяется многими факторами: видом рабочего газа, адгезионной способностью поверхности, характеристиками источника ионов, и поэтому однозначно охарактеризовать вид данной зависимости практически невозможно. Для многих материалов при увеличении плотности ионного тока наблюдается линейное возрастание скорости РИЛТ, однако для некоторых систем (например, для C₂F₆-SiO₂) на зависимости появляется тенденция к насыщению. При повышении давления отмечается увеличение скорости РИЛТ, поскольку при этом, наряду с небольшим ослаблением физического компонента, резко повышается плотность нейтральных ХАЧ и, как следствие, усиливается химический компонент РИЛТ.

Существенное влияние на скорость РИЛТ оказывает вид активного газа, подаваемого в ионный источник. Кроме самого активного газа, определенное влияние на скорость процесса оказывают содержащиеся в нем примеси, и особенно – кислород. При увеличении парциального давления кислорода в 3 – 4 раза скорость РИЛТ алюминия снижается практически на порядок. Причина этому – восстановление оксидной пленки на поверхности алюминия и, как следствие, снижение скорости химического взаимодействия.

Значительное увеличение скорости РИЛТ наблюдается при уменьшении расстояния от ионного источника до обрабатываемой поверхности. Очевидно, это связано с характеристиками диффузионного транспорта ХАЧ.

Процесс РИЛТ более точно воспроизводит профиль элементов субмикронных размеров, чем процесс ИЛТ. Кроме того, при РИЛТ значительно уменьшены эффекты переосаждения материала, которые также приводят к искажению профилей травления элементов при ионно-лучевом травлении, особенно в случае субмикронных размеров. Высокий показатель анизотропии травления РИЛТ (L = 10 - 100) позволяет получать в слоях рабочих материалов элементы субмикронных размеров, вплоть до 0,1 мкм. Из вакуумно-плазменных процессов травления только процессы ионно-лучевого травления обладают такой же разрешающей способностью. Однако процессы реактивного ионно-лучевого травления имеют по сравнению с ними следующие преимущества:

Более низкие энергии ионов (0.1 - 0.5 кэВ вместо 0.5 -2.0 кэВ) позволяют проводить травление любых материалов через органические резистивные маски, тогда как в процессах ИЛТ часто необходимо использовать дополнительные неорганические маски. Кроме того, при РИЛТ уменьшаются радиационные повреждения поверхностных слоев обрабатываемых материалов.
Более высокая селективность травления материалов (5 - 10 вместо 2 - 5) позволяет проводить травление пленок материалов на тонких подслоях без повреждения последних.
Уменьшение эффектов переосаждения удаляемого материала и благоприятная угловая зависимость скорости травления позволяет более воспроизводимо получать как профили, так и линейные размеры элементов субмикронных размеров.

Энергетическая ионная бомбардировка обрабатываемой поверхности при РИЛТ может изменять электрофизические параметры МДП - структур. Однако травление со снижением мощности разряда в ионном источнике в конце цикла травления позволяет избавиться от этого недостатка. Поверхность обрабатываемого материала при РИЛТ может загрязняться материалами элементов ионного источника, подложкодержателя и нелетучими компонентами рабочего газа. Однако правильным выбором состава рабочего газа и материалов элементов источника и подложкодержателя можно полностью или частично решить и эту проблему. Таким образом, в настоящее время процессы РИЛТ являются наиболее перспективными для изготовления ИМС с элементами субмикронных размеров.