МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Часть 3
Кинетика процессов реактивного ионно-плазменного
травления полупроводников в галогенсодержащей плазме
Учебно-методическое пособие для вузов
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2014
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................................................................................. 4
1. Теоретическая часть: характеристика низкотемпературной
газоразрядной плазмы ........................................................................................... 5
1.1. Механизмы элементарных процессов в низкотемпературной
газоразрядной плазме ............................................................................ 5
1.2. Классификация процессов плазменного травления ........................... 7
1.3. Процесс реактивного ионно-плазменного травления
и роль ионной бомбардировки в таких процессах ........................... 10
2. Экспериментальная часть ............................................................................... 16
2.1. Экспериментальная установка ........................................................... 16
2.2. Методика выполнения работы ........................................................... 17
Контрольные вопросы ........................................................................................ 20
Литература ........................................................................................................... 20
3
Стр.3
(температура) электронов во много раз превышает энергию ионов и нейтральных
частиц
Неизотермическая плазма характеризуется тем, что средняя энергия
; такое состояние реализуется при относительно
представляет собой слабоионизованный газ при давлениях 10–1 –10–3 Па со
степенью ионизации 10–5–10–3. Средняя энергия электронов в нем составляет
1–10 эВ (концентрация электронов 109–1012 см–3), а средняя энергия тяжелых
частиц (атомов, молекул и ионов) в среднем на два порядка ниже.
Взаимодействия и обмен энергией в плазме осуществляются путем
небольшом выделении джоулевой теплоты за счет высокой теплоемкости
газа тяжелых частиц и быстрого уноса теплоты из зоны разряда.
Низкотемпературная неравновесная газоразрядная плазма (ННГП)
столкновения частиц и их взаимодействия с излучением. Все столкновительные
процессы в плазме подразделяются на упругие и неупругие.
К упругим относят такие столкновения, которые не сопровождаются
глубоким изменение в состоянии частиц, взаимодействующих путем столкновения,
т.е. частицы, обменявшись энергией, разлетаются лишь с изменением
траектории первоначального движения. Но именно в процессе упругих
столкновений происходят накопление и обмен энергией, получаемой
заряженными частицами от электрического поля, что в конечном итоге
приводит к появлению неупругих столкновений.
Неупругие столкновения – это такие столкновения, которые приводят
к глубокому изменению внутреннего энергетического состояния частиц.
К неупругим столкновениям в первую очередь относятся процессы ионизации
и диссоциации. Следует заметить, что частица после ряда упругих
столкновений может накопить энергию, соответствующую ее возбужденному,
т.е. энергетически пересыщенному, состоянию. Таким образом, возбуждение
– это процесс, в результате которого образуется метастабильная,
т.е. неустойчивая, частица. Такая метастабильная частица может быть передатчиком
энергии от поля частицам рабочего газа, а по существу – служить
энергетическим катализатором.
Тем не менее, среди процессов неупругих столкновений первостепенное
значение имеют процессы ионизации, поскольку без ионизации не существует
и самой плазмы. Ионизация, т.е. образование заряженных частиц из нейтральных,
в плазме осуществляется через электронный удар, т.е. через столкновение
тяжелой нейтральной частицы с легкой частицей – электроном, скорость
движения которого (Te) существенно выше. Схему такого взаимодействия
для рабочего газа CF4 можно представить следующим уравнением:
CF4 + e → CF3
++ F– + e.
Процесс ионизации количественно характеризуется степенью ионизации,
представляющей собой отношение числа образовавшихся ионов к
начальному числу нейтральных газообразных частиц:
αион. = ni / nг.
6
Стр.6
Наряду с процессами ионизации, определяющими образование плазменной
среды, в ней параллельно протекают процессы диссоциации. Схему
взаимодействия тяжелой частицы с электроном по диссоциативному пути
для того же тетрафторида углерода можно представить в следующем виде:
CF4 + e → CF3
•+ F• + e.
Продуктами такого процесса являются радикалы и свободные атомы,
отличительной особенностью которых служит наличие неспаренного электрона,
придающего частице высокую химическую активность. Количественной
характеристикой этого процесса служит степень диссоциации, т.е.
отношение количества радикалов и свободных атомов к общему числу нейтральных
газообразных частиц:
αдисс. = nрад / nг.
Изложенными процессами не исчерпывается все многообразие элементарных
процессов в плазме. Основные из наиболее распространенных актов
элементарных взаимодействий можно представить в следующем виде:
Типы процесса
Ионизация
Рекомбинация
Элементарные процессы в низкотемпературной плазме
№ процесса
1
2
3
4
5
6
7
8
9
O + hω → О+ + e
е + N+
е + N+
N+
е + N2(Х1Σ+
е + N2(A3Σ+
2N2(A3Σ+
е + О+ + N2 → О + N2
е + О+ → О + hω
2 + О2
Прилипание
Возбуждение
Перезарядка
10
11
12
13
14
15
16
17
–→ N2 + О2
е + О2 N2(О2) → О2
е + О2 → О– + О
е + О → О– + hω
е + N2(Х1Σ+
е + N2(Х1Σ+
N2 + О2
N+
– + N2(О2)
g) → e + N2(A3Σ+
g) → e + N2(С3Пu)
е + N2(υ = 0) → e + N2(υ ≠ 0)
+ → N2
2 + N2 → N2 + N+
+ + О2
2
1.2. Классификация процессов плазменного травления
Вполне понятный интерес к процессам плазменного травления стимулировал
исследования в этой области, причем было показано, что на плазмохимические
процессы нельзя автоматически переносить общекинетические
представления, в первую очередь положения теории Аррениуса. Необходимо
помнить, что мы имеем дело с неизотермической системой частиц,
7
u)
u) → N+
2
2
2 → N+ N
4 → N2+ N2
Схема типичного процесса
g) → 2e + N+
u) → 2e + N+
4 + e
Стр.7
квазинейтральной (равенство полного заряда нулю), в которой активация
химически активных компонентов осуществляется электронным ударом.
Низкотемпературная газоразрядная плазма может служить одновременно
и источником участвующих в процессе частиц, и стимулятором процесса,
и активатором поверхности, а может использоваться только для какой-то
одной из этих целей.
По физико-химическому механизму взаимодействия поверхности
твердого тела с частицами плазмы можно условно разделить все процессы
«сухого» травления на три группы.
1. Ионное травление (ИТ). Удаление поверхностных слоев материала
здесь осуществляется лишь физическим распылением. Распыление ведется
с помощью энергетических (0,1÷2 кэВ) ионов газа. При этом химическая
природа газа не играет никакой роли. Обычно это газы, химически совершенно
не реагирующие с поверхностью (например, аргон).
Если обрабатываемый материал находится в непосредственном контакте
с плазмой (т.е. плазма – источник ионов и среда протекания процесса),
то такое травление мы назовем ионно-плазменным (ИПТ).
Если зона протекания процесса отделена от зоны генерации ионов, т.е.
у поверхности обрабатываемого материала нет контакта с плазмой, то такое
травление называется ионно-лучевым (ИЛТ). В этом случае мы имеем дело
с потоком ионов, т.е. с ионным пучком, направленным к поверхности.
Ясно, что при ИПТ на поверхность материалов воздействуют электроны,
нейтральные частицы, излучения плазмы, а при ИЛТ – лишь излучения плазмы.
Тем не менее, в целом воздействие всех факторов слишком мало, пренебрежимо
мало в сравнении с действием высокоэнергетичных ионов. При ИЛТ имеет
место направленное движение ионов по отношению к поверхности.
2. Плазменное (плазмохимическое) травление (ПТ – ПХТ). Эта
группа процессов по своему механизму воздействия на поверхность противоположна
процессам сугубо ионного травления. Здесь мы имеем дело с
процессами, в основе которых лежит чисто химическое взаимодействие поверхностных
слоев материала с химически активными частицами (ХАЧ),
генерируемыми в плазме, сопровождающееся образованием летучих продуктов
реакции, их десорбцией и удалением из зоны процесса. В этом случае
плазма играет роль генератора ХАЧ. Эти частицы образуются в результате
низкоэнергетической электронной и ионной бомбардировки, а также
воздействия излучения.
Отметим также два возможных случая осуществления ПТ, приводящих
к наличию двух его разновидностей.
Если подвергаемая травлению поверхность находится в контакте с
плазмой, то мы имеем дело непосредственно с плазмохимическим травлением
(ПХТ). В этом случае нельзя сбрасывать со счета влияние бомбардирующих
поверхность электронов, излучения, частиц, непосредственно не
участвующих в процессе травления.
8
Стр.8