ГЛАВА 4. Процессы плазменной обработки неорганических материалов

10. Радиационно-стимулированное травление (РСТ)

При проведении процессов травления в условиях ННГП процессы взаимодействия ХАЧ с поверхностью стимулируются потоками ионов, электронов и излучением плазмы. Однако столь широкий спектр одновременного воздействия различных стимулирующих факторов не дает возможности выделить вклад каждого из них в процесс травления и независимо управлять его параметрами. Повышение концентрации электронов, например, за счет увеличения мощности, вкладываемой в плазму, автоматически изменит концентрацию и энергию ионов и интенсивность излучения плазмы. Еще сложнее дело обстоит, когда плазма служит одновременно средой, источником частиц, производящих травление, и стимулятором в процессах плазменного и ионно-плазменного травления. В этом случае изменение стимулирующего воздействия (концентрации электронов) приводит к изменению еще и концентрации химически активных частиц, производящих травление. Невозможность точного выделения стимулирующего воздействия плазмы, а также независимого управления его параметрами без изменения параметров других воздействий и потоков частиц приводятк определенным затруднениям.

Поэтому в последние годы все больший интерес исследователей, технологов и разработчиков оборудования привлекают процессы радиационно-стимулированного травления. При РСТ поток стимулирующего воздействия и поток частиц, производящих травление, генерируются и подаются к обрабатываемой поверхности независимо друг от друга. В качестве ХАЧ, обеспечивающих травление, могут использоваться как молекулы газов, так и свободные атомы и/или радикалы. В первом случае травление называется радиационно-стимулированным газовым, во втором - радиационно-стимулированным радикальным. В качестве стимулирующего воздействия применяются потоки ионов (ионно-стимулированное травление), электронов (электронно-стимулированное травление) и излучений (фотонно-стимулированное травление). Фотонно-стимулированное травление в зависимости от вида излучения подразделяется на процессы, стимулированные инфракрасным излучением, излучением в видимой области спектра, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, а в зависимости от источника излучения - на лазерное, ламповое и синхротронное.

При анализе механизмов газового и радикального РСТ следует различать два случая: когда молекулы газа или радикалы могут спонтанно (самопроизвольно) травить материал без радиационного воздействия и когда спонтанное травление материала невозможно. В первом случае роль радиационного воздействия заключается в повышении скорости (стимулировании) спонтанного травления, а во втором параметры радиационного воздействия (вид, энергия и интенсивность) непосредственно определяют скорость травления материала. Модель РСТ материала включает следующие основные стадии:

1. Генерация химически активных частиц из молекул рабочего газа при радиационно-стимулированном газовом травлении. Эта стадия может быть стимулирована радиационным воздействием, через диссоциацию молекул при поглощении квантов стимулирующего излучения.
2. Доставка ХАЧ к поверхности обрабатываемого материала с помощью диффузии и газового потока. Интенсифицировать эту стадию может только мощное лазерное излучение, сфокусированное в плоскости на малом (около 1 мм) расстоянии от поверхности обрабатываемого материала и ускоряющее процессы переноса за счет нагрева газовой среды.
3. Адсорбция газовых молекул и химически активных частиц на поверхности обрабатываемого материала. Поскольку адсорбция химически активных частиц протекает с выделением энергии, то, очевидно, радиационное воздействие не может интенсифицировать эту стадию. При воздействии излучения возможны процессы диссоциации адсорбированных молекул и радикалов и их десорбции. Вероятность осуществления процессов диссоциации и десорбции зависит от конкретного вида молекул, радикалов, радиационного воздействия и его параметров.
4. Образование продуктов реакции.
5. Рекомбинация химически активных частиц на поверхности материала.
6. Удаление с поверхности материала продуктов реакции и адсорбированных частиц. Продукты реакции могут удаляться с помощью как обычной, так и радиационно-стимулированной десорбции. При использовании в качестве радиационного воздействия ионов с энергией больше 50 эВ необходимо учитывать процесс удаления поверхностных атомов материала за счет физического распыления.

Безусловно, рассмотренные стадии не охватывают всего многообразия явлений, происходящих при радиационно-стимулированном травлении материалов, но, на наш взгляд, наиболее существенны и типичны.

Фотонно-стимулированное травление и очистка материалов связана с воздействием излучения:

1. на газовую фазу с генерацией радикалов или возбуждением газовых молекул;
2. на адсорбированный слой с генерацией в нем радикалов и стимуляцией процессов десорбции и испарения;
3. на материал с возбуждением его электронов, решетки и нагреванием локальных областей.

Преобладание теплового механизма травления материалов характерно для излучений в инфракрасной и видимой областях спектра с плотностью мощности больше 10⁹ Вт/см². Для излучения малой плотности мощности (менее 10⁷ Вт/см²) в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра характерен диффузионно-рекомбинационный механизм травления.

Варианты конструкций систем фотонно - стимулированного травления разнообразны. Излучение может быть направлено как перпендикулярно, так и параллельно поверхности материала. В первом случае воздействие осуществляется на обрабатываемый материал и газовую фазу одновременно, во втором — только на газовую фазу. Кроме того, в каждом случае излучение может быть сфокусировано с помощью линз.  Особенно усилились работы по фотонно - стимулированному травлению материалов с появлением мощных источников ультрафиолетового излучения в области 100 - 300 нм, к которым следует отнести водородные и дейтериевые лампы с выходными окнами из MgF₂, аргоновый лазер непрерывного действия с l = 257 нм и эксимерные лазеры.

Скорость фотонно - стимулированного травления в том случае, когда излучение падает перпендикулярно поверхности обрабатываемого материала, всегда выше, чем при воздействии излучения только на газовую фазу (падение параллельно поверхности), и может быть в десятки раз больше скоростей плазмохимического травления. При фотонно - стимулированном травлении достигается высокая селективность травления материалов, не уступающая, а во многих случаях даже превосходящая селективность плазмохимического травления. Например, селективность травления SiО₂/Si в хлоре при воздействии сфокусированного излучения аргонового лазера (l = 257 нм) составляет 1:80. Анизотропия фотонно - стимулированного травления материалов, определяющая пространственное разрешение, зависит от лимитирующей стадии процесса. Если лимитирующей является стадия химической реакции или удаления с поверхности нелетучих частиц, то разрешение зависит от зоны «расплывания» лазерного луча на поверхности. При преобладании теплового механизма стимуляции разрешение примерно в 3 раза больше диаметра лазерного пучка и может составлять 1.5 - 5 мкм для сфокусированных пучков. При нетермическом механизме удаления нелетучих частиц разрешение определяется размером пучка и может быть меньше 1 мкм. Если же лимитирующей является стадия генерации химически активных частиц в газовой фазе, то при травлении чаще всего получаются изотропные профили.

Равномерность фотонно - стимулированного травления зависит от распределения интенсивности излучения по диаметру пластины и может составлять больше 95 % при диаметре 100 мм для ламп и источников рентгеновского излучения. При использовании сфокусированных лазерных лучей обработку проводят в сканирующем режиме, производительность которого весьма низка для внедрения в промышленное производство. Однако создание и освоение мощных эксимерных лазеров, позволяющих целиком обрабатывать пластину большого диаметра, несомненно, будет способствовать широкому внедрению фотонно - стимулированных процессов. Большими достоинствами этих процессов являются:

• возможность одновременного экспонирования и проявления органических масок,
• уменьшение числа загрязнений и дефектов по сравнению с плазменным и ионно-плазменным травлением,
• достижение высоких скоростей удаления материалов, не образующих летучих соединений,
• повышение скорости травления материалов в процессах плазмохимического и реакционного ионного травления.

Электронно-стимулированное травление.

Процессы электронно-стимулированного травления характеризуются сравнительно малыми скоростями, поскольку электронный поток вызывает преимущественно десорбцию частиц с поверхности и применяется только для очистки их поверхностей. При радикальном травлении скорость процесса при электронной стимуляции значительно возрастает, что связано с эффективной очисткой активных центров.

Показатель анизотропии увеличивается при электронной стимуляции процесса в несколько раз. В процессе электронно-стимулированного радикального травления материалов можно эффективно и в широких пределах управлять селективностью травления одного материала относительно другого. Равномерность процесса зависит от распределения, как потока радикалов, так и потока электронов по поверхности пластины, и можно легко достичь уровня, необходимого для промышленного производства. Электроны при энергиях 50 - 200 эВ, используемых в процессах электронно-стимулированного травления, не могут вносить дефекты в обрабатываемые материалы и нагревать образцы до высоких (больше 120°С) температур. Основным видом загрязнений поверхности после травления могут быть только полимерные пленки, которые легко удаляются в присутствии кислорода.

Ионно-стимулированное травление. В настоящее время в технологии микроэлектроники этот процесс используется наиболее интенсивно.  Механизм ионно-стимулированного газового травления материалов при различных комбинациях системы ион - газ аналогичен механизмам РИЛТ. В процессе ионно-стимулированного газового травления в ионный источник подается инертный газ, из атомов которого формируется пучок ускоренных ионов, направляемый на поверхность обрабатываемого материала. Одновременно к поверхности материала подается химически активный (рабочий) газ. Соотношение между плотностью потока рабочего газа и плотностью тока пучка ионов инертного газа составляет обычно больше, чем 50:1. Это приводит к тому, что давление рабочего газа около обрабатываемой поверхности на один - два порядка больше, чем давление инертного газа в источнике. Таким образом, значительно (в 5 - 10 раз) увеличивается скорость травления за счет вклада химической составляющей. Одновременно повышается селективность травления материалов. Вклад химической составляющей в скорость травления зависит также от адсорбционной способности молекул рабочего газа к обрабатываемой поверхности и увеличивается с понижением температуры. В качестве рабочих газов при ионно-стимулированном газовом травлении могут использоваться газы и соединения, которые спонтанно могут травить обрабатываемый материал без ионной бомбардировки, а также газы, которые производят травление только в присутствии ионной бомбардировки.

Очевидно, что в случае ионно-стимулированного газового травления скорость травления материала при установившейся температуре его поверхности будет зависеть от вида, энергии и плотности тока ионов, вида и потока химически активного газа. Скорости травления при фиксированных значениях энергии и плотности тока ионного пучка возрастают с увеличением расхода химически активного газа. Причем рост скорости травления зависит от вида как инертного, так и химически активного газа. Максимальные скорости травления кремния для фиксированных ионов инертного газа наблюдаются при использовании в качестве химически активного газа CF₄ и уменьшаются в ряду CF₄, CF₃CI, CF₂C1₂. Это связано с тем, что травление кремния осуществляется атомами фтора.

Наибольшие скорости травления GaAs, InSb и алюминия для фиксированных ионов инертного газа уменьшаются в ряду CF₂Cl₂, CF₃CI, CF₄. Такая закономерность связана с тем, что соединения группы A₃B₅ и алюминий образуют летучие соединения с атомами хлора, а не фтора. Подача водорода ненамного (в 1.3—2 раза) увеличивает скорости травления исследуемых материалов, однако значительно повышает чистоту и воспроизводимость процесса ионно-стимулированного газового травления от цикла к циклу, очевидно, за счет восстановления равновесных оксидов и отсутствия углеродных загрязнений на поверхности материалов. Зависимости скорости ионно-стимулированного газового травления материалов от энергии ионов коррелируют с соответствующими зависимостями коэффициента физического распыления. Однако переход с линейного участка зависимости скорости травления от энергии ионов на более пологий происходит при ионно-стимулированном газовом травлении в диапазоне энергий 120 -150 эВ, тогда как при физическом распылении - при энергиях 400 - 800 эВ. Это показывает, что ионно-стимулированное газовое травление обладает значительно меньшей пороговой энергией по сравнению с процессом физического распыления. Скорость травления материалов линейно зависит от плотности ионного тока, что объясняется пропорциональностью между скоростью травления и числом актов взаимодействия ионов с адсорбированными на поверхности молекулами химически активного газа. Такая зависимость характерна для потоков молекул химически активного газа, значительно превышающих поток ионов на поверхность.

Селективности травления материалов в процессе ионно-стимулированного газового травления значительно выше, чем при ионно-лучевом травлении, и достигают 5 - 20 для различных комбинаций материалов.

В процессе ионно-стимулированного газового травления можно управлять анизотропией травления и формой профиля получаемых элементов, варьируя угол падения на поверхность материала потоков ионов и химически активного газа. Выбором соответствующих комбинаций материал - ион - химически активный газ можно достичь очень больших значений показателя анизотропии (около 100) и получить высокое разрешение (0.02 мкм). Ионно-стимулированное газовое травление позволяет получать структуры субмикронных размеров с самым большим отношением глубины травления к ширине элемента (например, для GaAs - от 35 до 50).

К сожалению, обеспечение равномерности ионно-стимулированного газового травления на больших площадях представляет собой сложную техническую задачу из-за перераспределения плотности молекул химически активного газа после выхода из сопла коллектора. Для лучших систем ионно-стимулированного газового травления высокая равномерность травления (95%) получена на площади диаметром не более 2 см. В настоящее время малая площадь обработки, на которой обеспечивается высокая равномерность травления, является основным сдерживающим фактором на пути внедрения ионно-стимулированного газового травления в промышленное производство микросхем.